超聲波熱量表測量準(zhǔn)確度的影響因素探討

朱民

【摘? 要】為了提高超聲波熱量表的應(yīng)用質(zhì)量，要結(jié)合其應(yīng)用過程落實對應(yīng)的管控工作，對可能影響其準(zhǔn)確度的因素予以全面分析。本文從時差法超聲波熱量測量、頻差法熱量測量等方面介紹了超聲波熱量表測量的原理，并著重討論了超聲波熱量表測量準(zhǔn)確度的影響因素。

【關(guān)鍵詞】超聲波;熱量表測量;影響因素;準(zhǔn)確度

超聲波熱量表是目前應(yīng)用較為廣泛的供熱計量產(chǎn)品，其應(yīng)用優(yōu)勢較為突出，但是在實際應(yīng)用中也會存在測量準(zhǔn)確度不足的情況，需要全面分析影響因素以便于優(yōu)化相關(guān)工作。

一、超聲波熱量表測量原理

超聲波熱量表測量過程中，主要是在流量測量的基礎(chǔ)上配合溫度測量，主要是依據(jù)流體自身流量參數(shù)、供水-回水溫差等予以判定，而超聲波熱量表就是借助超聲波信號在不同介質(zhì)中順流以及逆流傳播產(chǎn)生的時差完成測量評估。

時差法流量測量原理，時差法在實際應(yīng)用中是借助超聲波換能器完成相互交替處理過程，實現(xiàn)超聲波的收發(fā)，并且，在實際測定過程中，要觀測超聲波在介質(zhì)中的順流時間、逆流時間，按照時間差完成流體流速的測定分析，配合流速計算流量，這本身就是一種較為間接且高效的處理機(jī)制[1]。值得一提的是，時差法流量測量的準(zhǔn)確性的決定性因素就是微小時差t的分辨率，也正是因為測量精度受到制約因素較多，因此，其測量精度數(shù)值需要進(jìn)一步提高。

頻差法流量測量原理，主要是借助回波鳴環(huán)技術(shù)，能在被測量的流體中形成不同傳播方向的鳴環(huán)頻率，一般稱為順流鳴環(huán)頻率和逆流鳴環(huán)頻率。若是流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，則順流鳴環(huán)頻率=逆流鳴環(huán)頻率，若是流體處于流動狀態(tài)，則順流鳴環(huán)頻率和逆流鳴環(huán)頻率之間的頻率差就是判定流體方向和速度的基本依據(jù)。與此同時，為了能有效提升低流速狀態(tài)下流量測量工作的精準(zhǔn)性，要確保測量的頻差數(shù)量基數(shù)較大，并且配合鎖相倍頻技術(shù)，將頻差測量數(shù)值合理性擴(kuò)大n倍，提升整體測量精度?；诖耍l差法流量測量工作的應(yīng)用范圍較為廣泛。

二、超聲波熱量表測量準(zhǔn)確度的影響因素

追溯到上世紀(jì)九十年代末，我國開始大范圍實現(xiàn)供暖體制改革方案，并且開始自行研發(fā)和生產(chǎn)熱量表，初期還是依靠進(jìn)口，而在2003年后，我國國產(chǎn)熱量表的質(zhì)量大幅度提升，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)也趨于應(yīng)用穩(wěn)定狀態(tài)，但是，在實際測量過程中，其應(yīng)用測量精度和測量可靠性還與國外發(fā)達(dá)國家有一定的差距，影響因素較多，要落實全面分析和評估機(jī)制，從而建構(gòu)更加合理的控制措施。

（一）介質(zhì)溫度的影響

在超聲波熱量表測量過程中，溫度對其產(chǎn)生影響主要體現(xiàn)在兩個方面，一方面，介質(zhì)溫度參數(shù)的動態(tài)變化會造成換能器關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)出現(xiàn)異常，這就會對正常的測量過程形成不同程度的作用，尤其是介質(zhì)溫度達(dá)到超聲波換能器用壓電陶瓷安全使用溫度的50%時，就會出現(xiàn)物理性損傷[2]。另一方面，介質(zhì)溫度的變化會影響聲速的，使得儀表測量的準(zhǔn)確性受到影響。值得一提的是，聲波的傳播是擾動形態(tài)和能量傳遞的總和，聲波在彈性介質(zhì)中的傳播速度被稱為聲速，和介質(zhì)的性能以及形狀無關(guān)，也正是因為液體沒有剪切彈性，所以液體一般是傳播縱波，而在進(jìn)行聲波和溫度關(guān)系比較的過程中可知，聲速會隨著溫度呈現(xiàn)出單調(diào)上升的趨勢。本文以U型DN20熱量表為研究對象，DN20聲程為0.072m，溫度點1為30℃、對應(yīng)聲速為1509.17m/s;溫度點2為60℃、對應(yīng)聲速為1550.99m/s。整體恒定流量為2m3/h，對應(yīng)流速為1.768m/s[3]。

1.理論分析溫度變化引發(fā)的測量準(zhǔn)確度偏差

假設(shè)在第一溫度點為30℃，順流時間T1=DN20聲程/（聲速-流速）、逆流時間T2=DN20聲程/（聲速+流速），得出順流時間為47.7643s、逆流時間為47.6525s，兩者時間差為111.8ns。

假設(shè)在第二溫度點為6℃，順流時間T1=DN20聲程/（聲速-流速）、逆流時間T2=DN20聲程/（聲速+流速），得出順流時間為46.4749s、逆流時間為46.3691s，兩者時間差為105.8ns。

可知溫度變化造成的測量準(zhǔn)確度偏差為-5.37%。綜上所述，在流量數(shù)值相同的狀態(tài)下，介質(zhì)的溫度出現(xiàn)相應(yīng)的變化，則測量時間差也會隨之改變，若是操作人員不能結(jié)合實際情況及時進(jìn)行溫度的補(bǔ)償處理，必然會對儀表測量的準(zhǔn)確度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。所以，要結(jié)合流量和溫度的參數(shù)關(guān)系落實相應(yīng)的補(bǔ)償機(jī)制，依據(jù)聲速數(shù)值等參數(shù)確保流量測量準(zhǔn)確性。

（二）速度分布產(chǎn)生的影響

對于超聲波熱量表測量工作而言，其直接檢測到的相關(guān)數(shù)值是超聲波傳播路徑上的線平均速度，而其配置的熱量測量設(shè)備測定的卻是整個管道斷面結(jié)構(gòu)的面平均速度，要想有效獲取相關(guān)數(shù)值，就要實現(xiàn)兩者的合理性換算[4]。流體在經(jīng)過管道后，因為固體的壁面本身并沒有設(shè)置滑移條件，所以，此時設(shè)定的緊貼壁面的流體速度參數(shù)為零，管道中間位置的流體基本不會受到影響，呈現(xiàn)出的流速參數(shù)最大，也就形成了對應(yīng)的大速度梯度。而在差異化雷諾數(shù)值參數(shù)內(nèi)，斷面上的流速也會呈現(xiàn)出不同的分布狀態(tài)。一般而言，雷諾數(shù)值較低的層流狀態(tài)，流速會呈現(xiàn)出拋物面的結(jié)構(gòu)，結(jié)合流體力學(xué)原理的相關(guān)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)能得出，層流最大的流速參數(shù)一般是平均流速的2倍左右，借助平均速度就能測定相關(guān)數(shù)值，也就是說，層流狀態(tài)下，測量數(shù)值是面平均數(shù)值的4/3。

首先，流速增大狀態(tài)下，水流流體處于湍流狀態(tài)，斷面的流速分布情況會和雷諾數(shù)變化形成呼應(yīng)關(guān)系，流速大小的數(shù)值也會趨于平均數(shù)，常溫狀態(tài)下能實現(xiàn)修正。

其次，若是被測量的流體本社處于層流狀態(tài)和湍流狀態(tài)之間的過渡態(tài)，流動狀態(tài)就會不穩(wěn)定，依據(jù)超聲波熱量表分析，對口徑供熱管道進(jìn)行管理，誤差來自于中心線上限流動不對稱等方面。

最后，相關(guān)計量分析都是在理想安裝狀態(tài)下進(jìn)行系數(shù)k的修正，而若是在非理想狀態(tài)下，彎管、水泵、變管徑結(jié)構(gòu)附近基表內(nèi)的流動參數(shù)就會更加復(fù)雜，無法單一化依靠流量系數(shù)k完成修正計算。尤其是在含有雜質(zhì)的水流處理方面，流速的不均勻性特征更加突出，也就會產(chǎn)生較大的誤差問題[5]。

（三）流動擾動產(chǎn)生的影響

為了保證超聲波熱量表測量工作準(zhǔn)確性得以優(yōu)化，也要對實際設(shè)備的管理工作予以關(guān)注，管道內(nèi)的彎門、閥門、變管徑等部件也會對流體的流態(tài)產(chǎn)生一定的擾動作用，一般而言，都是依照旋渦、不對稱流等方式描述擾動后流體的基礎(chǔ)流態(tài)，分析對超聲波熱量表流量計量工作產(chǎn)生的影響。

在測量過程中要確保管前和管后加裝固定長度的直管段，從而有效消除對應(yīng)的影響作用，匹配多聲道超聲波流量計實現(xiàn)聲道數(shù)量的優(yōu)化和聲道布置的升級，一定程度上減少弱流體擾動對后續(xù)測量工作產(chǎn)生的影響。一方面，彎管距離超聲波熱量表較近狀態(tài)下，若是不能滿足表前和表后直管段長度的標(biāo)準(zhǔn)要求，彎管會對后續(xù)的直管段以及熱量表內(nèi)的流動造成相應(yīng)的影響。最關(guān)鍵的是，彎道內(nèi)側(cè)速度升高，使得外側(cè)的速度相對降低，就會在截面位置出現(xiàn)二次流動狀態(tài)，此時，會形成強(qiáng)旋渦（圖1）。另一方面，流體進(jìn)入到直管段內(nèi)，管道自然就會在內(nèi)側(cè)位置形成低流速處理區(qū)域，然后形成自內(nèi)向外流速逐漸增大的趨勢。若是直管段長度不足，彎管也會使得流體速度在改變后不能及時恢復(fù)，此時，必然會對流量系數(shù)k產(chǎn)生影響，造成超聲波熱量表測量的誤差問題。

（四）檢測延時造成的影響

在超聲波熱量表測量工序中，換能器信號檢測會造成一定程度上的延時問題，也會對準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響，使得檢測結(jié)果出現(xiàn)誤差。究其原因，主要是換能器拖尾問題、閾值電壓設(shè)置不合理問題、噪聲干擾問題等。

主要是因為超聲波換能器若是在工作狀態(tài)下受到電脈沖激勵作用，此時設(shè)備就會出現(xiàn)機(jī)械振動問題，若是激勵電脈沖停止，則晶體還不能發(fā)生恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)，會存在振動逐漸放緩的趨勢，一般是在震蕩衰減后靜止，此時，就是換能器拖尾問題，其本身和換能器自身發(fā)射功率以及傳輸超聲波信號介質(zhì)相關(guān)聯(lián)，較為常見的拖尾時間在1ms到2.5ms之間。正是因為接收換能器無法及時對拖尾信號和接收信號予以分析處理，甚至?xí)诠r狀態(tài)下將拖尾信號誤認(rèn)定為回波信號，使得誤差問題較為嚴(yán)重，制約超聲波熱量表測量工作的準(zhǔn)確性處理效果。

另外，超聲波遠(yuǎn)距離傳播過程中，拖尾的影響并不是較大，所以一般會忽略不計，而若是在較短距離內(nèi)，接收信號就會受到干擾作用，此時必然會對測量結(jié)果的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。所以，在處理拖尾問題方面，一般會選取高精度時間測量芯片，有效提升對應(yīng)工作的合理性和規(guī)范性，維持綜合應(yīng)用管理的效果。并且優(yōu)化相關(guān)控制軟件和硬件，或者是選擇“盲區(qū)”較短的超聲波換能器，以保證能減少拖尾問題產(chǎn)生的影響。

除此之外，壓電轉(zhuǎn)換慣性遲滯也是較為常見的問題，在換能器檢測到對應(yīng)接收信號參數(shù)后，結(jié)合壓電效應(yīng)就能將脈沖信號直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，而對?yīng)的壓電換能器具有其固有屬性，必然會造成壓電轉(zhuǎn)換遲滯的現(xiàn)象，制約整體超聲波熱量表測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（五）雜質(zhì)產(chǎn)生的影響

對我國采暖工作進(jìn)行全面調(diào)研分析后可知，采暖水質(zhì)的潔凈度一般都不高，雜質(zhì)較多，這就會對超聲波信號的強(qiáng)度參數(shù)以及傳輸質(zhì)量產(chǎn)生影響，甚至雜質(zhì)嚴(yán)重的環(huán)境下會出現(xiàn)信號中斷等問題。與此同時，雜質(zhì)的殘留會造成供熱熱水正常流動受限，使得熱量表出現(xiàn)壓力不匹配的問題，壓力損失也會對測量精度產(chǎn)生影響。之所以會產(chǎn)生雜質(zhì)，主要是因為氧化銹蝕作用、末端化學(xué)物質(zhì)形成水垢、熱量表運(yùn)行偏小時無法實現(xiàn)水流沖擊等，使得超聲波在雜質(zhì)水流中出現(xiàn)衰減、k值變化以及雜質(zhì)沉淀等問題。

結(jié)束語：

總而言之，雜質(zhì)、介質(zhì)、流速、流動擾動、檢測延時等影響超聲波熱量表測量準(zhǔn)確度的主要因素，在明確不同因素對產(chǎn)生的影響后，就要針對具體問題落實相關(guān)處理方案，結(jié)合應(yīng)用環(huán)境落實更加合理高效的控制方案。

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