便攜式超聲波流量計(jì)在生產(chǎn)時(shí)廠家內(nèi)置一固定的流速修正系數(shù)，在實(shí)際使用中通過調(diào)整儀表系數(shù)來滿足測(cè)量精度。但此方法無法保證儀器在全量程范圍內(nèi)均保證較高的測(cè)量精度。通過流體在紊流狀態(tài)下流速修正系數(shù)的表達(dá)式，修正便攜式超聲波流量計(jì)的儀表系數(shù)可有效提高儀器在全量程內(nèi)的測(cè)量精度。

1.引言

便攜式超聲波流量計(jì)以其非接觸測(cè)量方式、體積小、重量輕、攜帶方便，傳感器的安裝簡(jiǎn)單容易，測(cè)量過程不需破壞管道，不需停產(chǎn)，傳感器不與被測(cè)介質(zhì)接觸、無壓損等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于自來水、環(huán)保、發(fā)電廠供暖、冶金、礦山、石油、化工、食品、醫(yī)藥、造紙、鋼鐵等工礦企業(yè)，并應(yīng)用于節(jié)能監(jiān)測(cè)，流量網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等。

便攜式超聲波流量計(jì)按工作原理分為時(shí)差式和多普勒式，現(xiàn)如今應(yīng)用***廣泛的是時(shí)差式便攜式超聲波流量計(jì)。其是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理來測(cè)量流體流量的。時(shí)差式便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)流速是測(cè)量沿超聲波傳播途徑上的線平均速度而不是沿管道截面平均分布的面平均速度。因此，需要將超聲波流量計(jì)測(cè)量出的線平均速度準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換為管道截面的面平均速度，才能保證超聲波流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確性。

2.理論分析

在實(shí)際工程中，流體都是粘性介質(zhì)，粘性流體一般以兩種狀態(tài)存在，即層流狀態(tài)和紊流狀態(tài)、一般來說，當(dāng)流體流動(dòng)的雷諾數(shù) Re 小于 2320 時(shí)為層流狀態(tài)，當(dāng)流體流動(dòng)的雷諾數(shù) Re 大于 13000 時(shí)為紊流狀態(tài)。當(dāng)流體流動(dòng)的雷諾數(shù) Re 在兩者之間時(shí)，流體處于過渡區(qū)間，不穩(wěn)定。

天津計(jì)量院使用 FSC 富士便攜式超聲波流量計(jì)主要用于對(duì)水廠和污水處理廠等節(jié)能環(huán)保單位使用的大口徑電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作，設(shè)備可測(cè)量的***大口徑為 6000mm。被校準(zhǔn)的流量計(jì)口徑一般在 500mm~1500mm 之間，流速一般在 0.5m/s~3m/s 之間，由雷諾數(shù)計(jì)算公式可知，被測(cè)流體的雷諾數(shù)在 250000~4500000 之間。因此，被測(cè)流體的流動(dòng)狀態(tài)處于完全紊流狀態(tài)。

已知在紊流狀態(tài)下，流速修正系數(shù) K 可寫成雷諾數(shù)的函數(shù)：

式中vs 為介質(zhì)在圓管內(nèi)的面平均速度，vl 為介質(zhì)在圓管內(nèi)的線平均速度。

從上圖可以看出，雷諾數(shù)在 250000~4500000 之間，流速修正系數(shù)的變化值超過 1%。如在更寬的測(cè)量范圍內(nèi)，流速修正系數(shù)的變化范圍將會(huì)更大。再加上其他一些不可控因素的影響，無法滿足在全量程范圍內(nèi) 0.5 級(jí)的校準(zhǔn)精度。

便攜式超聲波流量計(jì)在出廠前，廠家事先內(nèi)置一個(gè)固定的流速修正系數(shù)，并設(shè)置一個(gè)可調(diào)的標(biāo)定系數(shù)。用戶在使用前將便攜式超聲波流量計(jì)送到計(jì)量檢定部門進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)標(biāo)定的結(jié)果調(diào)整儀表系數(shù)。但此儀表系數(shù)僅在一定的流量范圍內(nèi)是有效的，在實(shí)際使用中的流量如超過標(biāo)定的流量范圍，將不能保證便攜式超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度。

便攜式超聲波流量計(jì)在出廠時(shí)儀表系數(shù)均為 1.0000，在實(shí)際測(cè)量過程中通過公式（1）計(jì)算不同口徑、不同流速下流速修正系數(shù)，通過調(diào)整儀表系數(shù)來修正超聲波流量計(jì)的測(cè)量誤差。

3.試驗(yàn)

按照《便攜式超聲波流量計(jì)說明書》的要求，將流量計(jì)探頭安裝在液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上。分別測(cè)量口徑為 500mm、1000mm、1500mm，流速分別為 0.5m/s、1.5 m/s、3.0 m/s 時(shí)經(jīng)過儀表系數(shù)修正后，便攜式超聲波流量計(jì)的測(cè)量誤差。使用液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，通過比較液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)表（電磁流量計(jì)）與超聲波流量計(jì)的瞬時(shí)流量示值來驗(yàn)證本文使用的通過流速修正系數(shù)的公式調(diào)整儀表系數(shù)方法來提高便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的有效性。

4.結(jié)語(yǔ)

從表 1 的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用流速修正系數(shù)公式調(diào)整儀表系數(shù)的方法使得便攜式超聲波流量計(jì)在常用的測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)量誤差均保持在 0.5% 之內(nèi)，在寬量程范圍內(nèi)，有效的提高了便攜式超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度，達(dá)到預(yù)期效果。