管道對(duì)超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的影響分析

劉敦利,蔡 勤

（新疆計(jì)量測(cè)試研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

管道對(duì)超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的影響分析

劉敦利,蔡 勤

（新疆計(jì)量測(cè)試研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

管道是超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的重要影響因素之一，研究管道和示值誤差之間的定量關(guān)系是提高計(jì)量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。在設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件下，分別改變管道內(nèi)徑和壁厚兩個(gè)參數(shù)，觀測(cè)瞬時(shí)流量的變化情況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到兩者與流量誤差的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，進(jìn)而計(jì)算得到管道與瞬時(shí)流量的數(shù)學(xué)模型，可以定量的表述管道變化對(duì)超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的影響，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)其計(jì)量準(zhǔn)確度的有效修正。

超聲波流量計(jì)；計(jì)量準(zhǔn)確度；管道；內(nèi)徑；壁厚；數(shù)學(xué)模型

0 引 言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)及電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波流量計(jì)越來(lái)越多的應(yīng)用到石油、化工、冶金、電力、給排水等多方面，其方便攜帶和安裝的特性使其得到普遍青睞[1-5]。但受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、安裝方式、測(cè)量準(zhǔn)確度等方面的影響，其計(jì)量準(zhǔn)確度有待進(jìn)一步的提高。特別是作為標(biāo)準(zhǔn)表校準(zhǔn)或檢定其他流量計(jì)時(shí)，其計(jì)量準(zhǔn)確性顯得尤為重要和關(guān)鍵。影響超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的因素有多方面，包括現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、流體介質(zhì)、安裝管道、安裝方式等[6-7]。所以，理清它們與計(jì)量準(zhǔn)確度之間的定量關(guān)系，成為提高超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵所在。

本文主要研究安裝管道對(duì)超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的影響。安裝管道包括管道的材質(zhì)、內(nèi)徑、壁厚等。由于管道材質(zhì)比較容易確定，不存在爭(zhēng)議，所以本文重點(diǎn)研究管道內(nèi)徑和壁厚兩個(gè)因素。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，利用實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)裝置和計(jì)量器具進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，從管道內(nèi)徑和壁厚兩個(gè)方面分別研究與超聲波流量計(jì)瞬時(shí)流量之間的關(guān)系，以期從大量數(shù)據(jù)中分析他們之間的定量關(guān)系。進(jìn)而綜合兩個(gè)方面的因素，建立管道與超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的數(shù)學(xué)模型，從而定量研究?jī)烧咧g的相關(guān)關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度：28.2℃，相對(duì)濕度35%RH。研究采用PT878液體超聲波流量計(jì)（GE Panametrics），準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)，是在用的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具。實(shí)驗(yàn)

使用的標(biāo)準(zhǔn)裝置是靜態(tài)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.05級(jí)。

流量計(jì)安裝在DN200 mm的標(biāo)準(zhǔn)直管道上，管道長(zhǎng)度為6000mm，內(nèi)徑為200.00mm，壁厚為4.60mm，材質(zhì)為碳鋼，無(wú)襯里，標(biāo)準(zhǔn)安裝距離：184.29mm，V法安裝，介質(zhì)為循環(huán)水，介質(zhì)溫度為29.2℃，信號(hào)強(qiáng)度63.2，瞬時(shí)流量設(shè)為200.00m3/h。

2 管道內(nèi)徑與瞬時(shí)流量的關(guān)系

眾多研究表明，在用超聲波流量計(jì)進(jìn)行流量計(jì)量時(shí)，管道內(nèi)徑的準(zhǔn)確輸入對(duì)流量的精確度影響很大[8]。但兩者之間究竟是怎樣的定量關(guān)系卻沒(méi)有一個(gè)明確答案。有人提出管道內(nèi)徑誤差±1%會(huì)相應(yīng)引起±2%的流量誤差，但這一概念比較模糊[9]；也有人針對(duì)這一問(wèn)題做過(guò)一些實(shí)驗(yàn)，但也只是證明了流量受內(nèi)徑的影響很大[10]。

本實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)管道內(nèi)徑是200.00mm，超聲波流量計(jì)瞬時(shí)流量為200.07 m3/h。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境、操作方法和其他參數(shù)保持不變的前提下，分別設(shè)定相對(duì)誤差為±1%、±3%、±5%、±10%的內(nèi)徑，觀察瞬時(shí)流量的變化。分別輸入設(shè)定的管道內(nèi)徑，等待瞬時(shí)流量穩(wěn)定5 min，采用多次讀數(shù)取平均值的方法（n=10）讀取瞬時(shí)流量的值。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，得到表1。從表中的數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：（1）超聲波流量計(jì)的瞬時(shí)流量隨內(nèi)徑的增大而增大，反之亦然，即瞬時(shí)流量與內(nèi)徑成正比關(guān)系；（2）瞬時(shí)流量的誤差隨內(nèi)徑誤差的增大而增大，誤差比在1.5～2.5之間；（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合瞬時(shí)流量誤差與內(nèi)徑誤差的數(shù)學(xué)關(guān)系模型為（見(jiàn)圖1）。

式中：y——瞬時(shí)流量相對(duì)誤差，%；

x1——內(nèi)徑相對(duì)誤差，%。

根據(jù)這一數(shù)學(xué)模型可以定量描述瞬時(shí)流量與管道內(nèi)徑之間的關(guān)系。只要知道了內(nèi)徑的相對(duì)誤差，即可代入模型，得出瞬時(shí)流量的相對(duì)誤差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波流量計(jì)瞬時(shí)流量地有效修正。

在實(shí)際使用中，由于污垢、介質(zhì)的沉淀，管道內(nèi)徑逐漸變小，內(nèi)徑實(shí)際值逐漸減小，即其輸入值偏離實(shí)際值越來(lái)越大，測(cè)得的瞬時(shí)流量也就偏離實(shí)際流量越來(lái)越遠(yuǎn)。可見(jiàn)，管道內(nèi)徑值的正確輸入對(duì)超聲波流量計(jì)的精確計(jì)量至關(guān)重要。所以，有必要針對(duì)管道內(nèi)徑作定期的測(cè)量，在不方便改變流量計(jì)參數(shù)設(shè)置和安裝現(xiàn)狀的情況下，可以根據(jù)數(shù)學(xué)模型對(duì)測(cè)得的瞬時(shí)流量進(jìn)行有效修正，從而避免內(nèi)徑誤差對(duì)流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的影響。

3 管道壁厚與瞬時(shí)流量的關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)管道壁厚是4.60mm，超聲波流量計(jì)瞬時(shí)流量為200.10m3/h。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境、操作方法和其他參數(shù)保持不變的前提下，改變壁厚的設(shè)定值，觀察瞬時(shí)流量的變化，如表2所示。根據(jù)兩者的相對(duì)誤差可以分析得出：瞬時(shí)流量的變化與壁厚成反比關(guān)系，即壁厚減小時(shí)瞬時(shí)流量增大，反之亦然；瞬時(shí)流量誤差隨壁厚誤差增大而增大，兩者基本成線性關(guān)系；擬合瞬時(shí)流量誤差和壁厚誤差的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖2），得到數(shù)學(xué)關(guān)系模型：

式中：y——瞬時(shí)流量相對(duì)誤差，%；x2——壁厚相對(duì)誤差，%。

4 管道與瞬時(shí)流量的關(guān)系

以上針對(duì)管道內(nèi)徑和壁厚的實(shí)驗(yàn)均是在不改變其他參數(shù)的前提下進(jìn)行的。但在實(shí)際情況下卻是不同的。眾所周知，在管道外徑一定的情況下，內(nèi)徑和壁厚的和也是一定的，即內(nèi)徑增加時(shí)壁厚減小，反之亦然。用數(shù)學(xué)公式表達(dá)為

式中：a——內(nèi)徑；

b——壁厚；

c——外徑（設(shè)定管道無(wú)村里）。

在實(shí)際使用中，受介質(zhì)污垢沉淀的影響，a會(huì)減小，b會(huì)增加，c卻保持不變，設(shè)為常數(shù)。

設(shè)定受污垢沉淀的影響，管道壁厚b增加m，則根據(jù)式（3），內(nèi)徑a減少2m；壁厚相對(duì)誤差x2=m/b，內(nèi)徑相對(duì)誤差x1=2m/a；又a=c-2b，b=m/x2，所以：

根據(jù)式（1）、式（2）和式（4），得到瞬時(shí)流量誤差y和管道壁厚增加m的關(guān)系式：

由于管道外徑c為常數(shù)，所以設(shè)x=m/c，即x為壁厚變化量與外徑的比值。則：

這便得到管道與超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的數(shù)學(xué)模型。在確定管道變化量（即知道了x的值）后就能夠計(jì)算出流量計(jì)的計(jì)量誤差（即流量誤差y）。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究表明，管道對(duì)超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的影響很大，本文針對(duì)這一問(wèn)題從管道內(nèi)徑和壁厚兩個(gè)方面分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出他們與流量誤差之間的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)根據(jù)兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系得到管道與流量誤差的數(shù)學(xué)模型，很好地表達(dá)了管道變化與流量誤差之間的定量關(guān)系。

已知改變了管道參數(shù)，則超聲波流量計(jì)安裝位置就會(huì)發(fā)生改變。而在實(shí)際使用中，流量計(jì)一旦安裝就不方便輕易移動(dòng)，特別是插入式的流量計(jì)。本文的研究成果可以很好地避免這一難題，通過(guò)數(shù)學(xué)模型有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)流量誤差的修正，從而提高流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度。

本文運(yùn)用數(shù)學(xué)模型表達(dá)出管道與超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的關(guān)系，對(duì)于超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度影響因素的定量研究起到了一定的引導(dǎo)作用。同時(shí)，計(jì)量準(zhǔn)確度的影響因素還有介質(zhì)參數(shù)、安裝方式等方面，有待進(jìn)一步完善。

[1]曹斌，張良田，趙斌.淺談超聲波流量計(jì)的安裝和使用[J].中國(guó)計(jì)量，1999（10）：46-47.

[2]李立新.超聲波流量計(jì)在天然氣流量計(jì)量上的應(yīng)用[J].工業(yè)計(jì)量，2003（2）：48-50.

[3]于德興，蘇立明，王興涉.用FLB便攜式超聲波流量計(jì)對(duì)在線流量計(jì)進(jìn)行比對(duì)測(cè)試方法探討[J].計(jì)量技術(shù)，2003（1）：14-15.

[4]吳衛(wèi)玲，宋喜報(bào).基于超聲波原理的流量計(jì)設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)用測(cè)試技術(shù)，2000，26（5）：23-24.

[5]顏一凡，劉勇，龔峰.便攜式超聲波流量計(jì)在管線測(cè)量中的應(yīng)用[J].中國(guó)計(jì)量，2010（3）：106-107.

[6]鄭鴻宇，王景陽(yáng)，袁愛(ài)軍，等.超聲波流量計(jì)計(jì)量偏差分析[J].計(jì)量技術(shù)，2008（2）：72-73.

[7]何群.超聲波流量測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2004.

[8]胡江順，何松杰.管道參數(shù)對(duì)便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量的影響[J].計(jì)量技術(shù)，2001（9）：5-6.

[9]何明武，張民理.超聲波流量計(jì)測(cè)量誤差分析與校驗(yàn)[C]∥企業(yè)計(jì)量測(cè)試與質(zhì)量管理年會(huì).烏魯木齊：中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)，2005：457-463.

[10]姚新益.超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)及誤差分析[J].計(jì)量技術(shù)，1999（8）：40-42.

Analyses of pipe affection on measurement accuracy of ultrasonic flowmeter

LIU Dun-li，CAI Qin
（Xinjiang Uygur Autonomous Region Institute of Measurement and Testing，Urumqi 830011，China）

Pipe is one of the important factors for the measurement accuracy of ultrasonic flowmeter. So the quantitative relationship between them is very important to study.In the experimental conditions，two parameters，i.e.，the internal diameter and wall thickness of the pipes were changed in order to observe the instantaneous flow.The mathematical models were built including flow errors.Mathematical model between the pipe and the instantaneous flow was achieved by furthercalculation.The model demonstrated the influence of pipe changesquantitatively for ultrasonic flowmeter.This realized effective correction for measurement accuracy.

ultrasonic flowmeter；measurement accuracy；pipe；internal diameter；wall thickness；mathematical model

TK313；TB553；TH814；TM930.114

：A

：1674-5124（2014）04-0042-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.011

2013-06-16；

：2013-08-08

劉敦利（1984-），男，江蘇連云港市人，工程師，碩士，主要從事流量計(jì)量相關(guān)工作。