超声水表流量测量特性分析及校准方法

    0　引言

    超声水表是一种采用新型流量传感与信号处理技术的电子水表。由于超声水表固有测量特性与其在实流条件下的测量特性之间随着被测管道水流体雷诺数的变化以及管道内流速分布的不同会产生很大的差异，导致超声水表实际使用时的测量特性出现显著的非线性，严重影响到测量的准确性。因此，分析研究并采取行之有效的特性校准策略，是超声水表实现高准确度、宽测量范围、高效率校准所必须的。

    1　时差法测量原理

    目前，超声水表绝大多数采用时差法（或速度差法）测量管道内水流体的流速等指标，进而积算成用水的实际体积值。时差法测量管内流速方法的工作原理见图 1，正、逆向传播时间、时间差和线平均流速的计算分别见式（1）~（3）。

式中：t_1-2—超声波正向传播时间；

      t_2-1—超声波逆向传播时间；

      Δt —超声波正、逆向传播时间差；

      c —超声波传播速度；

      v —流体轴向平均线流速 ;

      D —管道直径；

      φ—超声波传播方向与流体轴线间的夹角。

    由于声速 c 是被测介质温度、成分的函数，后期发展的时差测量法则是利用声波在正、逆向传播的速度之差来反映流体的流速，避免了介质温度或成分变化对超声流量测量的影响，因此也称速度差法。现将式（1）的形式作如下改变，

将式（4）两式相减得

    将 Δt = t_2-1- t_1-2代入上式得

    式（6）已消去了超声波传播声速项。只要测得正、逆向时间（t_1-2、t_2-1）和时间差 Δt，即可得到声道上流速的线平均值 v。

    式（6）表明，管道内流速线平均值 v 与时间差Δt、正向传播时间 t_1-2、逆向传播时间 t_2-1所组成的数学表达式成线性关系。经转换后有

    式中 M 为常数，仅与超声水表测量管的加工、装配准确度有关（即与管道内径尺寸 D 与换能器安装角度 有关）。M 值的改变会影响超声水表固有流量测量特性曲线的斜率。

    2　超声水表实流测量特性

    封闭管道通常采用流速面平均值作为水表流量测量特性校准与测量误差的评判依据。由于超声测量得到的线平均值 v 与流速分布的面平均值 在不同雷诺数以及相应流速分布时的关系较复杂，因此其时差表达式与流速面平均值 之间在不同的流量测量段呈现出了明显的非线性（见图 2）。