曹　鵬　孟　濤　張　亮　胡鶴鳴　徐春榮

(1.河北大學(xué)，保定 071002；2.中國計量科學(xué)研究院，北京100029；3.南京申瑞電氣系統(tǒng)控制有限公司，南京 210000)

0　引言

由時差法超聲流量計原理可知，流量測量相關(guān)參數(shù)有管道直徑D、聲道長度L、聲速C、聲道角φ和時間差Δt。為減少各項參數(shù)給流量計算所帶來的誤差，需要保證D、L、C、φ、Δt每一項測量的準(zhǔn)確性。因此，本論文針對超聲流量計其中一項參數(shù)——傳播時間進行研究，超聲平均傳播時間是參與流速計算的關(guān)鍵參數(shù)之一，其測量的準(zhǔn)確性會直接影響流量測量結(jié)果的可靠性。流量計算的傳播時間是指超聲波由換能器的發(fā)射面發(fā)出穿過被測介質(zhì)到換能器接收面接收為止，即超聲通過兩探頭間固定聲道長度的傳播時間。而流量計實測時間還包括了電信號的線纜延時、軟硬件電路運算延時以及超聲波穿過探頭前端的匹配層、保護層所產(chǎn)生的延時等[1]，這些延時會直接影響傳播時間的計算。

由系統(tǒng)自身原因所產(chǎn)生的計時誤差統(tǒng)稱為延時誤差，延時誤差對流量測量準(zhǔn)確度的相對影響與流量計口徑相關(guān)，口徑越小影響越顯著。對大口徑超聲流量計來講，通常認為延時誤差量級相對較小，大部分流量計廠家采用相對粗放的理論計算方式進行修正。但實際使用中，由于線纜較長，軟硬件電路運算延時等原因，延時可達幾個微秒，在這種情況，計算本身誤差較大，其結(jié)果必然不準(zhǔn)確，會對流量測量產(chǎn)生明顯影響。

在JJF 1358—2012《非實流法校準(zhǔn)DN1000～DN15000液體超聲流量計》[2]中已對延時誤差的校準(zhǔn)給出了實驗方法。由于實驗條件所限，三峽電站已安裝的流量計只能采用現(xiàn)場聲速校準(zhǔn)的方法對流量計計時系統(tǒng)進行檢查，但聲速測量容易受系統(tǒng)、裝配條件、環(huán)境等因素的影響[3]，檢查所帶來的不確定度較大，檢查結(jié)果并不適用于對流量計的修正。在本實驗項目中，恰逢溪洛渡電站流量計到貨且準(zhǔn)備安裝，經(jīng)流量計廠家協(xié)調(diào)配合，在實驗室完成了溪洛渡9#機組流量計的延時校準(zhǔn)。

1　延時誤差校準(zhǔn)裝置及實驗

1.1　延時裝置基本原理

該延時裝置基于水溫恒定的靜水中超聲波聲速基本保持一致，聲波信號在整個系統(tǒng)中往返延時Δt相同的特點，把參與計算的時間參數(shù)作為變量，如圖1，通過調(diào)節(jié)聲道長度的變化，精確測量聲波實際傳播時間，得到系統(tǒng)帶來的延時誤差Δt。

圖1　超聲傳播時間校準(zhǔn)裝置原理圖

如圖1所示，利用兩個精確測量的傳播距離L1和L2，分別測量得到聲波在傳播距離L1和L2上的傳播時間t1和t2，而實際水域中的傳播時間為t1+Δt和t2+Δt，因此，根據(jù)聲速在相同環(huán)境和介質(zhì)中的一致性得到：

(1)

若無法完全保證一長一短兩次測量過程中溫度完全一致，而溫度的變化會對聲速帶來影響，因此，上式可進一步改為：

(2)

1.水槽；2.注水口；3.排水口；4.滑軌；5、6.被測流量計探頭；7.流量計主機；8.滑動探頭夾裝機構(gòu)；9.固定探頭夾裝機構(gòu)；10.石英棒；11.溫度傳感器；12.溫度采集器

1.2　延時校準(zhǔn)裝置

探頭間距的選擇及控制精度是裝置設(shè)計中的關(guān)鍵因素，裝置的測量精度與超聲探頭在裝置上定位精度密切相關(guān)，如圖2所示，裝置對探頭間距離控制機構(gòu)進行了精心設(shè)計，使探頭間距離控制精度可以達到0.05mm以內(nèi)，大大提高了探頭間距離測量不確定度水平。

本裝置其它誤差來源對延時誤差的貢獻量較小，通過溫度修正可以降低由于兩次測量中溫度變化引起的誤差，溫度測量采用準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1℃的鉑電阻。

2　實驗數(shù)據(jù)分析及處理

2.1　18聲道超聲流量計系統(tǒng)延時校準(zhǔn)

該項實驗選擇了即將安裝的溪洛渡電站9#機組流量計。流量計為18聲道，按照Gauss-Jacobi方式[6]布置探頭(如圖3)， 每個換能器的電纜長度

圖3　18聲道超聲流量計聲道布置示意圖

為90m，在實驗開始前，流量計廠家已按照其技術(shù)規(guī)范計算得到其延時誤差為8.4μs，并已置入流量計算機中。

將18對探頭依次分別安裝在延時校準(zhǔn)裝置上，延時校準(zhǔn)裝置共配備了3種長度的標(biāo)準(zhǔn)距，分別為1000mm、300mm及200mm，采用不同組合對每對探頭測試3次，取平均值，實驗結(jié)果的處理方法如式(2)所示。

聲道長度按照18聲道流量計安裝管徑為10m(設(shè)計值)，依據(jù)Gauss-Jacobi探頭布置方法計算得到；理論傳輸時間是在靜水狀態(tài)下，水溫為20℃，水中聲速為1480m/s估算得到。如圖4所示，黑色線表示理論傳輸時間，符合換能器探頭布線方式，白色柱表示各聲道平均延時的情況。各聲道中最長聲道長度為11.034m，理論傳輸時間為7455.4μs；最小為3.410m，理論傳輸時間2304.1μs；各聲道平均延時誤差絕對值最大為3.3468μs，絕對值最小為3.0430μs，平均值為3.2204μs。引入的流速測量誤差最大值為-0.15%，出現(xiàn)在Path9；最小值為-0.04%，出現(xiàn)在Path4、Path5和Path14。

圖4　各聲道實測平均延時

經(jīng)延時校準(zhǔn)裝置標(biāo)定后，在滿足設(shè)定的聲道長度下，每一聲道實測平均延時基本保持在-3～-3.35μs之間，由此對流量計流速測量造成的誤差在0.1%左右，其貢獻量是比較大的。相對于系統(tǒng)設(shè)定延時8.4μs偏差約38.1%，修正后，系統(tǒng)延時的設(shè)定值延時為5.0532～5.3570μs。

2.2　流量計安裝現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

在相同的測量條件下，經(jīng)過延時誤差校準(zhǔn)，各聲道聲速測量結(jié)果將趨于一致，在溪洛渡電站9#機組流量計安裝好之后，調(diào)取現(xiàn)場聲速測量數(shù)據(jù)對校準(zhǔn)結(jié)果進行檢驗，數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5　9#機組流量計平均聲速

如圖5，各聲道聲速測量的一致性整體上是非常好的，根據(jù)貝塞爾公式計算得到，18條聲道的一致性為99.97%。流速為4.415m/s狀態(tài)下，各聲道聲速的標(biāo)準(zhǔn)偏差大約為0.089m/s，各聲道聲速基本保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，驗證了靜水狀態(tài)延時校準(zhǔn)裝置修正系統(tǒng)延時的有效性。

3　結(jié)論

由圖4可以看到，每條聲道的平均延時比較接近，說明每條聲道的一致性較好；各聲道平均延時平均值約為-3.2μs，其含義可以理解為流量計算機置入的8.4μs偏大了約3.2μs。用平均延時除以理論傳輸時間即可得到由于延時修正不準(zhǔn)確引入單條聲道流速測量的誤差，該誤差在管道邊壁聲道最大，達到0.15%，而管道中心聲道誤差約為0.05%；由于在計算流量時，各聲道的權(quán)重系數(shù)不同，因此，在評估延時對流量測量影響時，也采用加權(quán)平均的方法，計算得到延時引入流量的誤差約為0.06%，而為流量計重新置入延時修正值(校準(zhǔn)后設(shè)定值)后，延時誤差可被基本消除。由溪洛渡電站9#機組流量計實測數(shù)據(jù)分析得到，現(xiàn)場18聲道超聲流量計聲速相對一致性較好，表明裝置的系統(tǒng)延時得到了有效修正，滿足大口徑超聲流量計的使用需求。

4　結(jié)束語

對于該流量計，若不對延時進行修正(流量計設(shè)置修正值為0)，延時誤差將會引起流量超過0.1%的誤差。由此可見，即便對于超大口徑流量計，延時誤差的有效消除也能明顯提高流量計的準(zhǔn)確度，而相比原有的延時計算方法，項目中使用的實驗設(shè)備及方法亦不復(fù)雜。從上述的實驗結(jié)果中進一步分析得到：若已知被測流量計各聲道延時一致性較好，如換能器為同一批號、電纜材質(zhì)長度相同、共用一套時間測量系統(tǒng)等，實驗可簡化為僅測幾個典型聲道延時即可，用典型聲道的延時數(shù)據(jù)為每條聲道進行修正，其引入的誤差是完全可以接受的，實驗量則得到進一步減少，增加了實驗的可操作性。

本實驗中反映出的另一個問題，需要流量計的用戶和生產(chǎn)企業(yè)共同思考。近年來，流量計現(xiàn)場校準(zhǔn)的需求越來越多，但實際情況是在流量計安裝、投入使用后，很多校準(zhǔn)項目開展非常困難，只能將校準(zhǔn)變?yōu)闄z查，而有些項目則根本無法進行；若用戶能將校準(zhǔn)需求提前到流量計的安裝前，甚至是設(shè)計階段，并及時與相關(guān)的計量技術(shù)部門溝通，使得部分校準(zhǔn)項目可以在實驗室完成，再通過與現(xiàn)場檢查相結(jié)合(本實驗中溪洛渡電站9#機組流量計校準(zhǔn)作為例證)，在實驗室延時校準(zhǔn)后，可在現(xiàn)場檢查流量計各聲道聲速測量情況，對實驗室校準(zhǔn)結(jié)果進行核查，這將是解決流量計現(xiàn)場校準(zhǔn)困難的一條有效路徑。另一方面，對于流量計生產(chǎn)企業(yè)，也應(yīng)切實加強產(chǎn)品的出廠檢測以及現(xiàn)場安裝后的調(diào)試，將操作方法規(guī)范到JJF 1358—2012《非實流法校準(zhǔn)DN1000～DN15000液體超聲流量計》上，這將為后續(xù)的現(xiàn)場校準(zhǔn)及周期校準(zhǔn)奠定良好基礎(chǔ)。

[1]晁智強,盛鋒,韓壽松.時差法超聲波流量計誤差分析與研究[J].液壓與氣動,2009(6):64-67

[2]JJF 1358—2012非實流法校準(zhǔn)DN1000～DN15000液體超聲流量計校準(zhǔn)規(guī)范[S]

[3]孟濤,胡鶴鳴,王池,等.三峽電站流量計準(zhǔn)確度評估實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計[J].計量技術(shù),2009(11):32-35

[4]V A Belogol’skii, S S Sekoyan, L M Samorukova, et al.Pressure dependence of the sound velocity in distilled water[J].Measurement Techniques, 1999, 42(4)：406-413

[5]張亮,徐益挺,孟濤,等.超聲流量計系統(tǒng)延時檢定方法研究[J].計量技術(shù),2013(3):45-47

[6]胡鶴鳴,王池,孟濤.多聲路超聲流量計積分方法及其準(zhǔn)確度分析[J].儀器儀表學(xué)報,2010(6):1218-1223