超聲波流量計具體應用過程中的誤差分析

劉乾

摘 要： 超聲波流量計的應用范圍越來越廣，逐漸成為了生產與生活中非常重要的一種流量測量手段。首先，分析了超聲波流量計測量流量的原理，指出了超聲波流量計的特點，對超聲波流量計測量時存在的誤差加以探討，最后闡述了減少超聲波流量計誤差的措施，希望能夠有效控制超聲波流量計的測量精度，確保測量結果的精準性。

關鍵詞： 超聲波流量計；應用；誤差

1 前言

現階段，由于科學技術不斷的得以革新與發展，工業化進程進一步加快，流量測量技術在工業生產之中的應用范圍逐漸拓寬，并且在生活之中的應用也越來越廣泛。進行流量測量的過程中，可以采取的方法非常多，而超聲波流量計在對流量進行測量時，無需接觸被測物質，因此得到了非常廣泛的應用。現階段，國內以及國外對于超聲波流量計的研究均取得了顯著成果，所研制的超聲波流量計基本上都是通過測量超聲波在流體之中所擁有的傳播速率，從而測量出流體真實的流速，進一步計算出流體的流量。特別是在計算機技術得到快速發展以后，在應用超聲波流量計的過程中更加便捷，同時還擁有的自檢功能，可以有效的對流量計測量過程中各種誤差加以修訂。

2 超聲波流量計測量流量的原理

超聲波流量計測量流量的原理圖如圖1所示。

上圖之中的A傳感器以及B傳感器均可以發射超聲波，也能夠接受超聲波。超聲波由其中一個傳感器而達到另一個傳感器形成的通路被稱作是聲波通路。超聲波處于流被測量的流體之中，是以聲速進行傳輸的。若是超聲波發射方向和被測流體的流動方向一致時，此時超聲波所擁有的傳輸速率便會相應增加，而若是超聲波發射方向和被測流體的流動方向相反時，此時超聲波所擁有的傳輸速率會相應減小。所以，依照依照超聲波同時由A傳感器與B傳感器發射與抵達的時間差值，便能夠計算出被測量流體的流速值，計算公式如（1）-（3）所示。

在上式之中：vm代表的是管道之中流體所擁有的流速值；

L代表的是超聲波傳輸的通道長度值；

α代表的是超聲波的傳輸通道和流體流向之間夾角值；

t逆代表的是超聲波和流體流動方向相反情況下的傳輸時長；

t順代表的是超聲波和流體流動方向相同情況下的傳輸時長；

c代表的是超聲波在該流體之中所擁有的傳輸速率值。

雖然超聲波在不同的流體之中所擁有的傳輸速率和流體自身組成存在關聯性，不過，我們通過流體流速計算公式能夠得出，流體所擁有的速率，和超聲波在流體之中的傳輸速率之間并不存在關聯性，即在通過應用超聲波流量計進行流體流速的測量過程中，流體流速值和測量過程中流體的壓力、流體溫度以及流體組成并不存在關聯性。

要是流體輸送管道同一截面上不同位置出的流速相同，那么，流體的流量計算便非常簡單，即將流速與截面面積相乘便可得出。但是，現實情況確是同一截面位置處的流體流速呈現出拋物線狀，也就是流體在截面中心位置出的流速最大，向管壁方向流速逐漸降低。所以，我們測量計算出的流體流速只是通道長度區域內的流體平均流速。此時，流體真實流速便需要使用和燃氣流雷諾數相關聯的調整因子K進行表示，得出燃氣流量的計算公式如（4）所示。

（4）

在上式之中：Q代表的是流體的流量值；

A代表的是流體管道的截面積；

K代表的是調整因子。

3 超聲波流量計的特點

3.1 便于安裝與維修

和其他一些流量計對比而言，超聲波流量計進行安裝以及維護時更加的便捷，不需要在流體輸送的管道之上打孔，也不需將流體切斷，裝置的安裝較為便捷，尤其是用于測量大口徑管道的過程中，超聲波流量計的安裝便捷性更能發揮出優勢，可以有效節約人力、物力以及財力的消耗。

3.2 測量管徑范圍大

在采用超聲波流量計進行檢測的過程中，被檢測件之中無需安裝阻礙物，也無需安裝可動部件，能夠有效的防止堵塞流體流動的問題出現，更加適宜測量相對不易測量的流體，對于大管徑的流體流量測量同樣具有較大優勢，最高可達10m以上，這比傳統的流量計測量管徑范圍大出很多。

3.3 測量可靠性較高

采用超聲波流量計進行流量測量的過程中，不管是通過濕工安裝的方式，還是通過外夾安裝的方式，在測量時均對于流體沒有任何影響，不需要外接移動部件，也不會導致流體出現壓力損失。并且，超聲波流量計所使用的傳感裝置和計算相連接，通過鎖相環路連接的方法，確保信息數據在傳輸過程中的穩定性，能夠有效避免噪音帶來的干擾，確保了測量過程中所得到數據具有較高的可靠性。

4 超聲波流量計測量時存在的誤差分析

（1）通過公式（4）我們能夠得出，對于流體流量的計算，和通道具有的長度值、通道方向和流體流動方向之間的夾角值、輸送流體的管徑截面積以及輸送流體管道的流速分布情況等均存在關聯。其中，L、A以及α的值，會嚴重影響到超聲波流量計對流量測量的精準性。L值大小和裝置之中石英晶體與傳感器發射面位置存在關聯性，傳感器的位置又和焊接與流體即之中的接口位置存在關聯性。我們以￠400為例進行研究發現，因為尺寸因素而引起誤差大概在±0.19%的范圍之中。

（2）因為在流體輸送管道之中， 流體的流速分布呈現出不規律性，所以，需要通過調整因子K加以修訂，不過，這樣也無法徹底的避免誤差出現。經過實驗得出，單超聲波通道、三超聲波通道以及五超聲波通道的流量計，計算誤差通常在±1.1%、±0.5%與±0.4%范圍之中。

（3）由于超聲波在流體中的傳輸時間計算精度為10-8s，因此，要是因為傳感器自身的問題，使得超聲波傳輸時間在計量上出現非常微小的誤差，便會造成較大的測量誤差。所以，進行超聲波流量計的標定作業時，應當首先對流量計加以校核。零流量校核即檢驗超聲波流量計測量管道中未通過流體的情況下，有無流量值的顯示。要是因為傳感器等原件出現誤差，此時超聲波流量計便存在一定的“虛假流量”，也就是雖然沒有流體流動，不過超聲波流量計依舊顯示一定的流量數值。因為超聲波流量計具有較高的靈敏性，房間之中一些空氣流動同樣會導致流量計測量過程中存在誤差。所以，在進行零流量校核過程中，應當事先安裝好盲板，再向其中充入氮氣，將其放置在溫度恒定的環境之中。

（4）測量管道內徑存在誤差，也會導致測量過程中出現誤差，若是管道內徑的誤差值為1%左右，則因此而導致的測量誤差約為2%。管道的壁厚存在誤差同樣也會引起測量誤差。

5 減少超聲波流量計誤差的措施

5.1 選用適宜的流量計型號

不同型號超聲波流量計測量流量范圍存在一定的差異，超聲波流量計的測量范圍很大程度上受制于流體流速的影響，在超聲波流量計型號選擇時，應當依照流體具體的流速，要確保流體流速位于超聲波流量計的測量范圍之中。

5.2 確保超聲波流量計安裝的精確性

在超聲波流量計安裝的過程中，要防止出現振動以及噪音，也不能在有相對強電磁波干擾的環境中進行安裝。調壓計量站應用超聲波流量計，通常是將超聲波流量計安裝于調節閥門前方位置。要保證整個安裝過程的精確性，確保各個部件的安裝誤差控制在較小的范圍內，從而提升超聲波流量計的測量精度。

5.3 做好維護工作

在超聲波流量計的使用階段，應當做好維護工作，要定期、及時的對超聲波流量計進行全面檢查，檢查各種儀表之中有無沉積物存在，檢查信號處理裝置的運行是否正常，檢查聲道傳輸是否存在故障等，尤其要檢查超聲波流量計零流量校核的準確性。

6 結語

在超聲波流量計的具體應用過程中，應當結合流體流量測量現場條件和具體工藝參數加以調節，如此，才可以更好確保超聲波流量計可以達到流量準確測量的要求，盡可能避免誤差的出現。由于導致超聲波流量計測量誤差出現的原因非常多，為了盡可能避免誤差的出現，除了采取上述提到了一些措施以外，還能夠通過清理探頭、排查溫度、修訂壓力等手段，有效控制超聲波流量計的測量精度，確保測量結果的精準性。■

參考文獻

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