1 概述

1. 1 超声波流量计原理

封闭管道用超声波流量计按测量原理分类有:传播时间法、多普勒效应法、波束偏移法、相关法、噪声法［1］。传播时间法又包括时差法、相差法和频差法，时差法测量流体流量的原理如图 1所示。它利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点，测量它的顺流传播时间 t1 和逆流传播时间 t2 的差值，从而计算流体流动的速度和流量［2］。

1. 2 超声波流量计优缺点

时差法超声波流量计的优点有: ( 1) 适用于各种管径流量的测量，流速和管径越大，准确度越高;( 2) 测 量 范 围 ( 量 程 比) 宽，一 般 为 1 ∶ 50;( 3) 无压力损失，可大大降低长输管道增压的费用; ( 4) 无可动部件，可双向测量［3］。但时差法超声波流量计也存在一些不足，如参数设置比较多，包括: 管道口径、壁厚、衬里、材质、测量介质、介质温度、安装方式、安装位置等，其中任意一项参数设置有偏差都可能对超声波流量计的流量系数产生影响。本文主要对管道口径、材质以及安装方式进行分析，分析其对时差法超声波流量计流量系数的影响关系。

 

1. 3 超声波流量计流量系数定义

超声波流量计在实际使用过程中，都会用到流量系数 F，设标准流量为 qs，超声波流量计显示流量为 qr，则流量系数

 

2 流量系数影响因素分析

2. 1 标准装置及超声波流量计选择

标准装置采用本单位的两套流量标准装置:静态质量法水流量标准装置 ( 口径 15 ～ 400 mm，材质碳钢，扩展不确定度 Urel = 0. 05% ，k = 2) 和标准表法水流量标准装置 ( 口径 15 ～ 800 mm，材质不锈钢，扩展不确定度 Urel = 0. 12% ，k = 2) 。超声 波 流 量 计 选 用 FLEXIM 品 牌，型 号 为FLUXUS，传感器型号为 CDM1NZ7，适用管径为50 ～ 3 400 mm。

 

2. 2 流量系数确定方法

( 1) 依次设置好超声波流量计参数 ( 管道外径、壁厚、衬 里、材 质、介 质 温 度、安 装 方 式等) ，超声波流量计计算得到安装距离，将传感器安装到管道上。

 

( 2) 启动标准装置，检查密封性，保证不泄露后将流量调到所需流量点，获取标准装置流量qs 以及超声波流量计示值流量 qr。

( 3) 依据 JJG 1030—2010 《超声流量计检定规程》中的流量点 qmin、qt、0. 4qmax和 qmax共 4 个流量点进行检测［4］。qmin 流速定为 0. 25 m /s，qmax流速定为 7 m /s，则选用的流量点分别为: 0. 25、0. 3、2. 8、7 m /s。

( 4) 每个流量点检测 3 次，得到该流量点的平均流量系数，然后对 4 个流量点的流量系数进行求平均，非常终得到流量系数 F。

 

2. 3 口径及材质对流量系数的影响

本文选用口径分别为 DN50、DN80、DN100、DN150、DN200、DN300、DN400，材 质 分 别 为 碳钢和不锈钢的管道进行检测。检测得到流量系数数据如图 2 所示。

从图 2 可以看出，同一材质，不同管径流量系数有一定的差别，非常大相对误差为 7. 1% ; 同样，不同材质，同一管径流量系数也有一定差别，非常大相 对 误 差 为 4. 4% 。对 于 小 管 径 ( DN50 ～DN150) ，不同材质，不同管径流量系数差别较大;但对于大管径 ( DN200 ～ DN400) ，同一材质，不同管径流量系数较为 接 近，非常大相对误差为1. 7% ，不同材质，同一管径流量系数同样较为接近，非常大相对误差为 1. 5% 。

 

2. 4 安装方式对流量系数的影响

传感器安装可分为 Z 法和 V 法。Z 法安装测量流体流量原理如图 1 所示，V 法安装如图 3 所示。大直径管及强吸声流体宜采用 Z 法安装［5］。

本文选用材质为不锈钢，对 DN200、 DN300、DN400 三个大管径的安装方法进行分析。

由于本文采用的是 FLEXIM 超声波流量计，在进行流量检测时可以通过观察信号格数来反映信号的强弱，材质为不锈钢的不同管径信号格数如图 4 所示，其流量系数如图 5 所示。

从图 4 和图 5 可以看出，对于大口径管道 ( 口径大于 DN200) Z 法安装的信号都优于 V 法安装，且两种不同安装方式的流量系数差别不大，故对于大口径管道可优先选用 Z 法安装超声波流量计，但由于两种安装方式流量系数相差不大，为了安装方便可采用 V 法，如果没有信号，再选用 Z 法。

 

2. 5 总结

本文通过对口径、材质以及安装方式进行分析，分析其对时差法超声波流量计流量系数的影响，得到的结论如下:

( 1) 对于同一材质的管道，不同口径，超声波流量计流量系数有一定的差别，对于大于 DN200 的口径流量系数较为接近，非常大相差 0. 018。

( 2) 对于同一口径的管道，不同材质，超声波流量计流量系数有一定的差别，对于大于 DN200 的口径流量系数较为接近，非常大相差 0. 015。

( 3) 对于不同材质、不同口径的管道，流量系数没有一定的规律，但流量系数相差不大，当现误差要求不是很高 ( 相对误差 5% 左右) 的时候，没有得到流量系数的管道可采用临近管道的流量系数代替。

( 4) 对大于 DN200 的管道，优先选用 Z 法安装方式，其信号优于 V 法安装，但由于两种安装方式流量系数相差不大，为了安装方便可采用 V法，如果没有信号，再选用 Z 法。

 

3 结束语

时差法超声波流量计常用于现场流量计的校准，利用本单位两套标准装置对超声波流量计流量系数进行检测，找出流量系数的变动规律，有利于改善现场校准其他流量计的准确度。

 

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