提高超聲熱量表流量測量精度的結構設計

朱銳梁芳

（新疆計量測試研究院，新疆 烏魯木齊830026）

0 引言

近年來，我國大力提倡節能減排，供熱計量改革正在逐步發展。根據發達國家的經驗，采用分戶計量收費措施可節約20%-34%的能源[1]。因此，對供熱收費體制和采暖系統進行改革，實現按表分戶計量收費勢在必行。隨著改革的進行，對熱量表的性能、質量的要求也越來越高。熱量表由流量傳感器、配對溫度傳感器和計算器三部分組成，流量傳感器為超聲波式的熱量表稱為超聲熱量表。超聲熱量表具有精度較高、對水質要求較低、壓力損失小、可靠性好等特點，目前使用最為廣泛。超聲熱量表一般采用時差法計算流體的流速，表體結構對流速測量影響很大。如何通過表體結構設計提高流量測量精度，特別是小流量點的測量精度，是超聲熱量表設計的難題之一。

1 時差法測量原理

時差法是利用兩個壓電換能器相互向對方發射超聲波，對方接收并記錄時間差，由于聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的速度不同，時間差可以準確反映流體速度。測量原理見圖1。

圖1 時差法超聲波流量測量原理圖

圖中，D為管道內直徑，L為換能器間距，t1為超聲波順流速度，t2為逆流速度，θ為傳播方向與流動方向夾角。c為超聲波在非流動介質中的聲速，V為介質流動速度。順流和逆流時間可表示為：

t2和t1之間的差為：

由于V＜＜c，所以流體的流速為：

時差法所測量的流速是聲道上的線平均流速，而計算流量所需是流通橫截面的面平均流速VS。二者是不同的，差異取決于流速分布狀況。因此，必須對流場分布進行修正。液體實際流速為：

其中，K為流速分布修正系數。

2 表體結構設計

通過時差法測量原理可知，順流與逆流差值取決于測量管段流體流速。流速越快，差值越大，測量精度越高，小流量的流量測量尤為突出。同時，測量管段的流場穩定，流速分布差異小，則容易進行流速修正。因此，熱量表表體結構一般采用以下三種設計，來提高超聲熱量表的流量測量精度。

2.1 表體加長

超聲熱量表的流量測量量程比一般為50：1或100：1。量程比越大，可檢測的最小流量越小，計量能力越強。測量精度高、量程比大的超聲熱量表一般表體都比較長。表體較長的超聲熱量表，兩個換能器之間的超聲波聲程較長，而且減少了前后連接法蘭處安裝偏心、墊圈偏心和前后管段內表面粗糙度等對測量管段流場的影響，從而提高了超聲熱量表流量測量的精度。表1為兩種超聲熱能表的表體長度對比。其中1#為量程比為100：1，計量性能較好的德國制造的超聲熱量表，2#為量程比為50：1，計量性能一般的國產超聲熱量表。

表1 兩種熱量表表長對比

可以看出，流量測量精度高，穩定性好的超聲熱量表表體較長，是普通熱量表的1.5倍左右。制造超聲熱量表基表的材料一般采用鑄銅或不銹鋼，表體加長設計在提高測量精度的同時，也增加了生產成本，這也是國產表一般不采用表體加長設計的原因。

2.2 縮徑

圖2 縮徑設計示意圖

縮徑結構在DN40mm到DN100mm的超聲波熱量表中應用較為普遍。流量測量量程比100：1、200：1的超聲熱量表，基表一般都采用了縮徑結構。表前端經弧形過渡到口徑小一些的直管段，表后端經過同樣的弧形過渡回到安裝口徑。如圖2所示。縮徑提高了測量管段水流速度，并有一定的整流作用，因此提高了測量精度，尤其是小流量的測量精度。例如，某廠家DN100mm的超聲熱量表，縮徑部分僅為DN60mm，管中水流經縮徑后，增速3倍左右。縮徑結構對小流量點的流量測量非常有效，拓寬了超聲熱量表的流量測量范圍。縮徑結構的缺點是增加了管路沿途壓力損失。

2.3 整流器

DN100mm以下的超聲熱量表，還可以采用入口端加整流器的方法，提高流量測量精度。超聲熱量表采用的表前整流器一般為兩種方式：第一種為篩網整流板，類似于水表前端的整流器，第二種為十字整流板，見圖3。篩網整流板一般用于光管表體超聲熱量表，而十字整流板一般用于縮徑表體的超聲熱量表。原因在于，篩網整流板的整流效果比十字整流板好，但是對管路的阻力較大，壓損較大。因此，對于光管表體超聲熱量表，可以采用篩網整流板整流；縮徑結構的超聲熱量表，由于縮徑有一定整流作用，再采用篩網整流壓損過大，一般采用十字導流板整流，壓力損失小，并且可以達到較好的整流效果。DN100mm以上超聲熱量表，前端一般不采用整流器。其原因是大口徑超聲熱量表對小流量點的測量精度要求相對較低，大口徑管路的壓損要求較高。

圖3 表前整流器示意圖

3 結論

表體加長、縮徑、整流器三種表體結構方式可以提高超聲熱量表的流量測量精度。本文詳細介紹了這三種結構的特點和適用條件。一般采用三種中的若干種組合的方式，應用于DN100mm以下的超聲熱量表，提高了流量測量精度，尤其是小流量點的測量精度。大量檢測數據證明，縮徑結構和十字導流板組合的方式，流量穩定性較好，不易被水質雜質堵塞管路，對安裝場地的前直管段要求較低。因此，在安裝條件較為復雜，或對小流量測量精度要求較高的情況下，建議選擇縮徑結構、有表前整流器的超聲熱量表。

［1］鞠文濤.超聲波熱量表的設計與研發[D].浙江大學，2008：1－3.

［2］姜志成.超聲波反射裝置對超聲波流量計內水流特性影響的研究[D].山東大學，2010：7－9.

［3］姜勇.時差法超聲波流量計設計與研發[D].浙江大學，2006：13－14.