流量计中超声波传播速度校正方案

　　1 引言

　　超声波流量计具有精度高、稳定性好、性能可靠等特点，广泛应用于工业领域，尤其是在热表领域中有很好的发展前景。但由于超声波在不同温度的水中传播速度是不相等的，若对其传播速度取为固定值，则会在测量精度上引入附加误差，导致计算数据不准确。因此，本文对超声波的传播速度进行校正，以提高计量的精度。

　　超声波流量计测量的是体积流量，在热表中通常将超声波传感器放置在供水管道。由于流量计随身绑定一个温度传感器，所以，可以通过温度传感器采集到的水温，实时改变超声波传播速度的计算值，以达到准确计算供暖消耗热量值。由于热量表中超声波工作的温度范围为0~100℃。所以，本文就超声波在0~100℃范围内的传播速度进行校正。

　　2 热量计量公式

　　超声波流量计测量的是体积流量，本文采用了基于体积流量的热量计量方法：

　　式中：

　　cpi，cpo为入口与出口的定压比热容，kJ/(kg·℃);

　　ρi，ρo为入口与出口温度下的载热流体密度，kg/m3;

　　θi，θo为入口与出口的温度，℃;

　　Q为瞬时热量，kJ/h;

　　qv为单位时间载热液体流过的体积流量，m3/h。

　　式中：

　　v为流体的流速，m/h;

　　A为管截面积，m2;

　　V为体积，m3。

　　通过超声波流量计中的时差法，可以得出载热流体的流速计算公式为：

　　式中：

　　L为超声波发射器与接收器在管线方向上的间距，m;

　　Δt为超声波发射器逆流发射时间与顺流发射时间差，s;

　　C为超声波在热媒水中的传播速度，m/s。

　　联立(1)、(2)和(3)，可得出热量Q的基本参数公式为：

　　该(4)式计算简单，只要根据实测供回水温度θi、θo查表得cpi，cpo，ρi，ρo等4个常数，并且根据所测得的时差△t以及查表所得超声波传播速度C，代入公式即可求出热量值Q。当然，对于实测温度，不可能每点都查表得出与之相对应的cp和ρ值，所以，需要采用线性插值法进行计算，通过搜索与其距离最近的点计算相应的cp和ρ值，从而得出瞬时热量。

　　3 超声波的非线性修正

　　图1为超声波在0～100℃纯水中的传播速度，不难看出，水温越高，超声波的非线性变化越严重，超声波的传播速度差最大能达到150m/s，所以，由式(4)可以看出参数C对供暖消耗热量的影响比较大，应实时对其进行修正，以提高供暖计量的精度。

　　通过对超声波在水中传播速度图的研究，可以看出，超声波传播速度最小值出现在0℃，为1402m/s，超声波传播速度的最大值出现在74℃，为1555m/s。且超声波传播速度的变化趋势是类似于一种抛物线的图形，所以，可认为此波形就是抛物线，通过计算验证后，确定抛物线的公式为：