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1 前言
目前，工業(yè)領(lǐng)域面臨著能源過度的問題，節(jié)能減排已成為大型生產(chǎn)企業(yè)急需解決的課題。流量計(jì)作為生產(chǎn)線的重要計(jì)量器具，不僅是直接反映生產(chǎn)能耗的基礎(chǔ)設(shè)備，也是控制能耗的首要環(huán)節(jié)。由于生產(chǎn)計(jì)劃，許多企業(yè)的流量計(jì)無法被卸下而需要在線校準(zhǔn)。超聲波流量計(jì)作為一種精度高、非接觸式、易攜帶安裝的計(jì)量器具，廣泛被應(yīng)用于流量計(jì)的在線校準(zhǔn)。因此，本文介紹如何應(yīng)用超聲波流量計(jì)在線校準(zhǔn)浮子流量計(jì)并對其過程進(jìn)行測量不確定度的評定。
2 超聲波流量計(jì)工作原理
超聲波在流體中的傳播速度與流體的流速有關(guān)。沿流體的順流方向，超聲波的傳播速度增大；逆流方向的傳播速度減小。同一超聲波沿流體不同流向產(chǎn)生了時間差，該差值與流體的流速存在一定的關(guān)系。假設(shè)直段管道內(nèi)有2個超聲波傳感器，傳感器1位于流體上游，傳感器2位于流體下游，則傳感器之間存在如下關(guān)系：
 （1）
（2）
式中：L—兩個超聲波傳感器之間的直線距離；
T12—沿流體逆向，超聲波從傳感器1傳播至傳感器2所用的時間；
T21—沿流體順向，超聲波從傳感器2傳播至傳感器1所用的時間；
C—超聲波在靜止流體中的傳播速度；
x—L在管道中沿管道軸向的分量。
根據(jù)上式可知：當(dāng)傳感器的位置和管道幾何參數(shù)為已知量，則流體的流速正比于時間項(xiàng)。
3 浮子流量計(jì)在線測量
3.1 校準(zhǔn)環(huán)境與安裝條件
超聲波流量計(jì)是根據(jù)超聲波在管道內(nèi)傳播時間差反映流體流速的，所以被測段的流體狀態(tài)對測量結(jié)果影響很大。測量時，應(yīng)避免被測段的流體處于湍流狀態(tài)。一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
（1）計(jì)量現(xiàn)場應(yīng)無明顯振動，周圍無電磁干擾。
（2）探測器安裝位置的上游直管段長度至少為管徑的10倍以上，下游的直管段長度至少為管徑的5倍以上；上游30倍管徑的沿程內(nèi)應(yīng)沒有擾流因素，比如泵、閥引起的流速分布不均勻。
（3）管道始終充滿流體，流體內(nèi)不能含有大量的氣泡或異物。
（4）對于水瓶管道，為了避免滯留空氣或沉積物影響測量結(jié)果，在水平面的±45°內(nèi)安裝探測器。避免將探測器安裝在管道變形、凸起或焊接部分。
（5）如管道表面有涂層、腐蝕班或是不平整，用油漆稀釋劑和砂紙清除。
（6）查看被檢的浮子流量計(jì)是否有泄漏、振動的情況，刻度是否清晰，便于觀察。
（7）對于1.0和1.5級的浮子流量計(jì)，安裝傾斜角度不應(yīng)超過2°；2.5級及以下的浮子流量計(jì)不應(yīng)超過5°。
3.2 探測法的選擇
根據(jù)探測器的分布位置，探測法分為V法和Z法。V法：兩探測器均處于管道外同側(cè)，探測器之間連線與管道軸線平行。Z法：兩探測器處于管道外兩側(cè)，兩探測器之間連線與管道軸線交叉。在下列情況下使用Z法：
（1）需要節(jié)省安裝空間（Z法的安裝空間約為V法的一半）。
（2）需要測量污水等渾濁的流體。
（3）管道內(nèi)有砂漿襯里或是較厚水垢。
3.3 測量步驟
（1）確認(rèn)管道的內(nèi)、外徑；對于非標(biāo)準(zhǔn)的管道，用游標(biāo)卡尺和測厚儀等工具測量管道的外徑與壁厚。
（2）在儀表中輸入相關(guān)參數(shù)：管道內(nèi)、外徑；管道材料；流體介質(zhì)；探測法類型等。
（3）待儀表調(diào)零后確定探測器安裝距離。
（4）在探測器表面涂上適量硅脂，根據(jù)“安裝條件”安裝探測器，查看超聲波信號接受是否正常。
（5）待被檢流量計(jì)與超聲波流量計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后，讀取兩儀表的流量值，計(jì)算示值誤差。
3.4 注意事項(xiàng)
（1）當(dāng)超聲波流量計(jì)信號異�；蚴菬o信號時，查看管道表面是否有涂層、探測器是否緊貼管道表面。在排除上述問題但仍信號異常的情況下，查看現(xiàn)場周圍是否有電磁干擾，比如：大功率水泵、變頻器、變壓器等。
（2）當(dāng)測量值與被檢示值存在明顯偏差時，查看探測器安裝位置是否合理。在滿足安裝條件的情況下，盡可能對安裝位置做調(diào)整：同一條管道布置有高低時，探測器安裝在較低的管路上；探測器盡量不要靠近管路的終端；盡量選擇流體向上流動的管路安裝探測器；管路內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重，更換管路。
（3）當(dāng)測量值存在明顯波動時，適當(dāng)設(shè)置阻尼參數(shù)，延長響應(yīng)時間。
（4）當(dāng)流量發(fā)生變化但測量值保持不變時，檢查管道規(guī)格是否正確；探測器是否安裝在焊接部分；探測器安裝尺寸是否正確；探測器表面是否涂有足夠的潤滑脂；嘗試更換探測法類型；避免使用加長電纜。
4 不確定度評定實(shí)例
本文利用超聲波流量計(jì)在線校準(zhǔn)浮子流量計(jì)，流量范圍：（16～160）L/min，流體介質(zhì)為水。
4.1 測量模型
利用超聲波流量計(jì)在線計(jì)量浮子流量計(jì)，相當(dāng)于采用標(biāo)準(zhǔn)表法進(jìn)行計(jì)量。標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)串聯(lián)在現(xiàn)有的流量管道上，刻度狀態(tài)相同，流量無需經(jīng)過修正。示值誤差根據(jù)下式：
（3）
式中：qm—被檢浮子流量計(jì)的流量顯示值，L/min；
qv—標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)的流量實(shí)際值，L/min；
qmax—被校流量計(jì)的上限刻度值，L/min。
標(biāo)準(zhǔn)不確定度：
 
靈敏系數(shù)：c1=1/qmax；c2=-1/qmax
4.2 不確定度的來源：
（1）輸入量qm的不確定度
測量的重復(fù)性引入的不確定度：u（qm）
浮子流量計(jì)在80L/min時，對被檢流量計(jì)測量10次，結(jié)果如表1。
表1
 
測量平均值 ，標(biāo)準(zhǔn)方差S=0.13L/min，u（qm）= 。
（2）輸入量qv的不確定度：
①測量重復(fù)性或儀表分辨力引入的不確定度：u1（qv）
超聲波流量計(jì)在80L/min時，對被檢流量計(jì)測量10次，結(jié)果如表2。
表2
 
測量平均值 ，標(biāo)準(zhǔn)方差S=0.022L/min，u1（qv）=
超聲波流量計(jì)分辨力引入的不確定度：
儀表的分辨力為0.001L/min；按均勻分布計(jì)算k= ，則u1（qv）=0.00058L/min
在兩者中去較大者，0.007L/min＞0.00058L/min，則u1（qv）=0.007L/min
②超聲波流量計(jì)示值誤差引入的不確定度：
示值誤差為流量讀數(shù)的0.26%，按均勻分布計(jì)算k=
則u1（qv）=83.007×0.26/ =0.125L/min
 
由以上數(shù)據(jù)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：
 ，其擴(kuò)展不確定度為：U=k×uc=0.2%（k=2）
5 結(jié)果分析
由以上不確定度的結(jié)果可以得出：測量不確定度的來源主要是超聲波流量計(jì)的示值誤差，其次是浮子流量計(jì)的測量重復(fù)性，最小的是超聲波流量計(jì)的測量重復(fù)性。
雖然不確定度的來源主要是標(biāo)準(zhǔn)器的精度，但是測量前期的準(zhǔn)備工作，包括：現(xiàn)場環(huán)境與校準(zhǔn)條件的確認(rèn)，探測器安裝位置與探測法的選擇等。這些因素也很大程度影響了測量結(jié)果。

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