影響超聲熱量表流量檢定結果的因素

朱 銳　亞力坤　王 鵬 / 新疆維吾爾自治區(qū)計量測試研究院

影響超聲熱量表流量檢定結果的因素

朱 銳亞力坤王 鵬 / 新疆維吾爾自治區(qū)計量測試研究院

歸納總結了大量的超聲熱量表流量分量檢定工作，逐條分析了溫度修正、啟停效應、臺位差、密封墊圈、安裝角度、管道翹曲、人為讀數等影響超聲熱量表流量檢定結果的各個因素，并進行了多組實驗驗證，總結出一定的規(guī)律。了解這些影響流量檢定結果的因素，能夠有效提高超聲熱量表流量檢定結果的準確性，對超聲熱量表及其他流量計的檢定工作有一定參考意義。

超聲熱量表；流量檢定；溫度修正；臺位差；密封墊圈；安裝角度

0　引言

熱量表由流量傳感器、配對溫度傳感器和計算器三部分組成。流量傳感器為超聲流量計的熱量表稱為超聲熱量表，目前市場上主要為超聲熱量表。

根據JJG 225-2001《熱能表檢定規(guī)程》［1］，一般采用分量法進行檢定，即：分別對流量傳感器、配對溫度傳感器、計算器進行檢定。大口徑超聲熱量表使用DN（50～300）mm熱水流量標準裝置進行流量分量檢定，主標準器為一組高精度電子秤，準確度等級為0.1級，檢定溫度為（50±5）℃。本文通過總結大量超聲熱量表的流量檢定工作，分析各種因素對超聲熱量表流量檢定結果的影響。

1　影響因素分析

1.1溫度修正

超聲熱量表一般采用時差法計算流速，流量與超聲波速度的平方成正比。而超聲波速度是對介質溫度變化較為敏感的一個物理量，水中聲速與水溫關系見圖1。超聲熱能表的工作溫度范圍較大，因此超聲熱量表必須進行溫度修正，才能得到準確的流量值。目前市場上的超聲熱量表大部分為進水安裝，表體有溫度傳感器安裝口。在流量分量檢定中，正確安裝進口溫度傳感器，超聲熱量表通過讀取進口溫度自動修正流量值。而有些熱量表的體表沒有溫度傳感器安裝口，在檢定過程中，應將進口溫度傳感器放置于與檢測水溫一致的恒溫槽中，才可以得到正確的流量示值誤差。

圖1　水中聲速與水溫關系

1.2啟停效應

熱量表流量檢定按照讀取數值方法，可分為啟停法和動態(tài)法。啟停法讀數準確，便于操作，但存在啟停效應，也就是水錘效應。當閥門突然關閉時，水流對閥門會產生一個瞬間壓力，后續(xù)水流在慣性作用下，壓力迅速達到最大，對閥門具有較大的破壞作用。因此，在大口徑熱水流量標準裝置中，檢定流量點大于40 m3/h時，不允許使用啟停法。根據公稱流量點大小，DN80 mm及以下口徑的超聲熱量表可以使用啟停法進行流量分量檢定。適當增加檢定用水量，能夠有效減少啟停效應對流量檢定結果的影響，使檢定數據重復性得到改善。

1.3臺位差

大口徑熱水流量標準裝置的檢定管段布局中，DN（50 ～ 100）mm口徑的檢定管段可以同時裝夾多塊超聲熱量表，串聯(lián)進行流量檢定，提高了流量檢定效率。串聯(lián)位置不同，即臺位差，對流量檢定結果有一定影響。這是因為超聲熱量表采用了多種結構樣式，尤其是縮徑設計的超聲熱量表較多?？s徑的超聲熱量表壓力損失較大，并且前端的縮徑管段對后續(xù)管段的流場分布有影響，從而導致不同臺位時超聲熱量表流量檢定結果的差異。以一次檢定數據為例：一組縮徑結構的DN65 mm的超聲熱量表，采用靜態(tài)質量法，水流順流方向的三個檢定臺位為1#、2#、3#臺位，其中一只熱量表在不同臺位的流量檢定數據見表1，示值誤差取三次檢定結果的平均值?？梢钥闯?，縮徑設計的超聲熱量表，臺位差對流量示值誤差有一定影響。如果超聲熱量表作為核查標準或比對標準，應在順流第一個臺位進行流量示值誤差檢定，此情況下，結果更為準確可靠。

表1　臺位差對流量示值誤差的影響

1.4密封墊圈

在裝夾熱量表時，需要使用密封墊圈，以保證通水后不會漏水。由于O型圈密封性一般，目前裝夾熱量表時使用圓形墊圈。使用時，要注意墊圈大小是否合適，是否偏心安裝。墊圈偏小，或者偏心安裝，均會給流量檢定結果帶來較大誤差，熱量表前端墊圈的影響尤為明顯。為此特意做以下試驗：DN80 mm的超聲熱量表，被檢表前端分別用DN65 mm和DN80 mm的圓形墊圈密封裝夾，比較兩種情況下的流量示值誤差，兩次檢定結果見表2，示值誤差均取三次檢定結果的平均值。可以明顯看出，不合適的墊圈對流量示值誤差有很大影響，尤其是小流量點。這是因為不合適的墊圈或偏心安裝影響了檢測段的流場分布，因此，裝夾熱量表時，一定要選用合適的密封墊圈，并正確安裝。

表2　表前墊圈對流量示值誤差的影響

1.5安裝角度

超聲熱量表一般為水平或者垂直安裝。安裝大口徑超聲熱量表時，換能器探頭平面應與地面平行，特殊情況需要傾斜時，傾斜角度不得超過30°。在某單聲程DN150 mm超聲熱量表的流量檢定中，比較了無傾斜角和傾斜角為20°兩種情況下的流量示值誤差，兩次檢定結果見表3，示值誤差均取三次檢定結果的平均值?？梢钥闯?，與無傾斜角相比，20°傾斜角安裝對每個流量點示值誤差都有不同程度的增加，小流量點增加3%左右。因此，在檢定和實際施工中，應盡量無傾斜角安裝，從而保證超聲熱量表的計量準確性。

表3　安裝角度對流量示值誤差的影響

1.6管段翹曲

大口徑熱量表的流量檢定過程中，存在一定程度的檢測管段翹曲的問題，原因如下：

（1）DN100 mm以下檢測管段串聯(lián)熱量表檢定，再由氣動裝置壓緊整個檢測管段。前段由于受力較大，容易發(fā)生管段翹曲；

（2）熱水流量標準裝置經過幾年頻繁使用，管段法蘭面發(fā)生微小變形導致的管段翹曲。翹曲后，管道中的流場發(fā)生變化，導致流量的偏差。在實際檢定工作中，被檢熱量表前管段明顯翹曲時，被檢超聲熱量表的小流量點誤差偏離較大，且重復性較差，應盡量避免此種情況的發(fā)生。

1.7人為讀數誤差

DN100 mm以上的超聲熱量表流量分量檢定，由于公稱流量超過40 m3/h，只能使用動態(tài)法。實際操作中，檢定人員在讀取被檢表數值的同時，換向器切換水流，從而保證標準值的準確性。由于各廠家超聲熱量表檢定狀態(tài)下數據顯示頻率不同、檢定人員讀數習慣等原因，存在人為讀數誤差。需要總結經驗，熟練操作，把人為讀數誤差盡量降低。

2　結語

本文從大量的超聲熱量表檢定工作實際出發(fā)，發(fā)現問題后深入研究，對影響流量分量檢定結果的各個因素逐條分析，并進行實驗驗證，總結規(guī)律，有效提高了超聲熱量表流量檢定結果的準確性，對超聲熱量表及其他流量計的檢定工作有一定參考意義。

［1］ 全國流量、容量計量技術委員會.JJG 225-2001 ［S］.北京：中國計量出版社，2002。

［2］ 全國流量、容量計量技術委員會.JJG 686-2006 ［S］. 北京：中國計量出版社，2006.

［3］ 城市建設研究院.CJ 128-2007［S］. 北京：中國標準出版社，2008.

［4］ 張永兵，杜紅，楊煥誠. 熱水流量標準裝置技術方案［J］. 內蒙古科技與經濟，2011，20：79-80.

［5］ 岑敏銳. 超聲波在液體中的傳播速度與溫度的關系 ［J］. 物理實驗， 2008，05：39-41.

Influence factors of flow verification of ultrasonic heat meter

Zhu Rui， Ya Likun， Wang Peng
（Xinjiang Institute of Measurement and Testing Technology）

This paper summarized a lot of flow verification work of ultrasonic heat meter， analyzed temperature correction， start-stop effect，different position， gaskets， installation angle， pipe warp， anthropogenic reading and other influence in the flow verification work， and conducted several experiments to verify the conclusion， summed up certain rules. Understanding these factors of the flow verification influence， will improve the accuracy of the flow verification results of ultrasonic heat meter. It has reference values for ultrasonic heat meter and other flow meter verification work.

ultrasonic heat meter； flow verification； temperature correction； different position； gasket； installation angle