1 前言
目前，许多供水、污水处理企业由于大口径流量计价格较为昂贵等原因未配备备用流量计，同时，又不能中断使用，而且大口径流量计还存在不方便拆卸等问题，因此，定期溯源成了这类企业的一个难题。为了解决这一问题，自贡市计量测试研究所于2004年，购入便携式超声流量计装置一套，该装置准确度达到10级，完全符合按照标准表法对川南地区许多供水企业30级的大口径流量计进行在线校准的要求。该超声流量计为外夹式超声流量计，使用上灵活方便，然而，现场应用的实际测量准确度，常因工作疏忽，换能器安装距离及流体截面积等测量的误差而造成准确度降低。本文正是以此为出发点，根据所使用的超声流量计原理特点，结合这些年开展大流量在线校准的工作经验，讨论了开展大流量在线校准工作时超声流量计使用的一些注意事项。
2 时差法超声流量计测量原理
超声流量计一般是由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。
超声波流量计从原理上主要分为传播速度法超声流量计和多普勒超声流量计。根据所测物理量的不同，传播速度差法可分为时差法、相位差法和频差法。我所使用的是时差式超声流量计，因此，本文主要讨论基于时差法的超声流量计的使用。
时差法测量是由一对超声波发生器和接收器组成两个通道，分别在顺流方向和逆流方向发射超声波脉冲，测量其传播时间差Δt。工作原理如图1所示。
顺流方向发射超声波脉冲的传播时间为
逆流方向发射超声波脉冲的传播时间为
式中：L——超声波发射器到接收器之间的距离，m；c——被测流体静止时的超声波传播速度，m/s；u——被测流体的速度，m/s。
图1时差式超声流量计工作原理示意图
在顺流和逆流情况下超声波的传播时间差为
由于超声波传播速度c远大于流体流速u，故可认为
可得：
在上式中，超声波在静止流体中传播速度c可认为是常数；而L也能通过测量得到，作为另一个常数；此时，流体流速与时间差Δt成正比，只要测量得到Δt也就可以得到流体流速u。
3 测量影响因素及注意事项
目前，使用超声流量计之前需要对管道尺寸进行精确测量，将得到的管径、管壁等数据并介质类型、管道材料等参数输入流量计显示仪表，就能直接得到换能器安装的距离h，正确安装即能自动显示流速、流量等数据。基于以上时差法超声流量计原理可见，流速u测量准确与否与c、L、Δt的准确测量紧密相关，而不仅如此，u本身状态也影响着流速u的测量准确度。因此，本文从u、c、L、Δt四个方面，以Z安装方法为例，来阐述影响超声流量计在线校准准确度的各种因素，并指出相应的注意事项来避免这些影响测量准确度的因素产生。3.1 流速u的方面
时差法超声流量计从原理上是测量超声波传播途径上的平均流速，平均流速的含义是当管内流体以这样的平均流速通过管道横截面的流量与管内流体以某一速度分布通过该管道截面的流量相等。其中，速度分布是指在管道横截面上流体速度轴向分量的分布模式。图2为典型的层流状态下轴向剖视图，可见，对于流速较小的层流情况，流速分布呈抛物线分布，这种一定的函数关系在雷诺数Re在约2320以下的情况下都能保持稳定，因此，只需简单修正就能得到准确的结果。图3为典型的紊流状态下轴向剖视图，可见，对于流速较大的紊流情况，随着Re增大，流速分布近似于均匀分布，因此，也容易得到准确的结果。而以上两种典型的稳定的流速分布是充分发展了的管内流动所具有的流速分布，即管内流体只有通过足够长的直管段以后才能实现。而由于流动过程中总是存在各种干扰，管内的流速分布往往偏离这种典型分布，从而对流量的测量准确造成较大的影响。根据工作经验，以管径为600mm的管道为例，直管段不足带来的测量误差可达-4%左右。
因此，从u这个角度考虑，我们需要注意：超声流量计安装需要在表前有足够长的直管段或者加装整流器来保证速度分布能达到充分发展的管流状态。以我所使用的DTFXP系列超声流量计为例，就需要满足表前不小于10倍D的直管段、表后不小于5倍D的直管段的安装要求。
3.2 传播速度c的方面
传播速度一般都是需要输入流量计控制面板中的。而传播速度往往不需要直接输入，除了一些特殊情况外，只需要输入管道材质、管衬材料、流体介质类型就可以得到管道中的声速c1、管衬中的声速c2、流体介质中的声速c。因此，我们在开始使用流量计在线校准之前，要搞清楚管道材质、管衬材料、流体介质类型等参数，来确保带入流量计控制面板自动计算流量最终结果所需的c1、c2、c的准确。还应注意的是，具有较多固体颗粒和气泡的流体不适用时差式超声流量计。因为固体颗粒和气泡会使超声波发生散射，从而影响流量测量的准确度，甚至会使流量计不能正常工作。面对这类情况，一般都选择使用多普勒超声流量计。
3.3 声程L的方面
确保声程L的准确主要是注意两个方面的问题：
第一，管道几何尺寸的精确测量，管内不能有太厚的结垢。
管道几何尺寸的测量，主要是管道外径d和管壁s的测量。管道内径D=d-2s。基于时差法的超声流量计流速u和声程L有关。而流体中的声程L=D/cosθ3。管壁中的声程L1=2s/cosθ2。θ2、θ3往往是由超声波从换能器射到管外壁时的角度1确定的，而正确安装后的θ1是固定不变的。而且流量是等于流速乘以截面积的。因此由流量和管径的关系可知，管径每存在1%的误差，就会产生约3%的流量测量误差。可见，使用超声流量计时，我们必须保证管道内径和壁厚测量的精确。
而管道结垢，不但造成管径误差，还会使超声波产生散射，降低流量计的测量精度，甚至仪表不能正常工作。根据工作经验，以管径为600mm的管道为例，管道结垢产生了10mm的管径误差，由此带来的流量测量误差高达-34%左右。因此，我们安装超声流量计换能器的那段管道最好换成新的或者清洗过的不锈钢管道。
第二，换能器的正确安装。
一对换能器的安装有个基本原则：发射换能器与接受换能器应在半圆平分线上。而两换能器轴间距离h=2s*tanθ2+D*tanθ3。而h一般是由输入外径、壁厚等参数，流量计控制面板自动生成的。因此，除了d、s测量的准确外，还应确保发射换能器和接受换能器配合方向的准确，并借助耦合剂，使θ1准确，从而确保θ2、θ3的准确。除此之外，还应注意，轴间距离h不是两头或两尾的距离，而是要根据说明书的要求对准换能器上相关的标示刻线。
3.4 时间差t的方面
超声流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应，采用发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振动。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。很多超声流量计信息采集处理电路采用锁相环路技术。在锁定相位的情况下，电压控制振荡器1以N/t1的频率进行振荡，电压控制振荡器2以N/t2的频率进行振荡。因此可得频率差
从而，可以得到时间差Δt，进而求出流速、流量。
为了保证时间差t的测量准确，我们就应该正确使用超声换能器。首先，压电原件对环境温度、湿度较为敏感，虽然超声换能器封装都普遍较好，但是还应注意在说明书上的温度、湿度范围内使用。其次，压电原件是高阻抗、小功率原件，极易受外界机、电振动引起的噪声干扰。因此，要注意换能器安装地点应避免强电磁场和管道的振动等因素的影响。还应在仪表与换能器之间使用屏蔽线，连线长度严格按照说明书的要求。除此之外，显示仪表也应选择振动冲击很小的位置，避免电磁场的影响，以避免引起仪表电压波动。
4 结束语
目前，我所已经对自贡荣威水站、自贡公正计量检测站、富顺污水处理厂等多家企业的大流量计进行了在线校准工作，帮客户解决了难题，赢得了客户的好评。
由于现场环境的多样性和复杂性，根据特定的环境安装调试超声流量计就显得尤为重要。很多经验也需要在工作过程中积累。本文也是将我们工作中所遇到的一些状况，积累的一点经验拿出来分享，希望起到抛砖引玉的效果，也希望对本文不足之处多多指教。
参考文献
[1]詹志杰.水表.北京：中国计量出版社，2008.
[2]苏彦勋.流量计量与测试.北京：中国计量出版社，2007.
