摘要：通过实验实测分析管道诸因素及探头安装误差对便携式超声波流量计计量精度和信号的影响。
便携式超声波流量计以其特有的快捷、灵活的使用方式在自来水计量管理中得到普遍应用。在大口径流量仪表难以实现现场检定的情况下，使用便携式超声波流量计与在线流量计进行比对成为自来水公司保证计量基本正确的常用方法。
然而，由于现场管道情况、安装质量等因素的影响，便携式超声波流量计的使用精度往往低于其标称精度，有时误差较大，以至于不能达到使用目的。为了评价管道、安装、信号等对便携超声波流量计的影响，我们用美国康创系列便携式流量计进行了精度及影响因素的试验分析。
一.管道因素对精度的影响：
1．直管段(流态)。一般要求流量计上游、下游分别有管径10倍和5倍以上的直管段，以确保被测介质的流态满足仪表精度要求。实际使用时经常不能找到满足要求的安装位置，在非标准情况下试验结果如下：
表1 不同直管段与标准情况（上游10倍下游5倍管径）的相对误差（%）
| 上 游
下 游 |
10倍 |
8倍 |
5倍 |
3倍 |
2倍 |
1倍 |
|
5 倍 |
0.00 |
0.09 |
0.75 |
1.08 |
3.42 |
11.36 |
|
3 倍 |
-0.12 |
|
1.28 |
|
|
10.50 |
|
1 倍 |
1.65 |
|
1.80 |
|
|
14.92 |
实验时串联两台流量计，便携流量计在不同位置与一台安装在标准位置的同型号固定式超声波流量计作比对，用半开闸阀控制直管段长度。结果表明下游直管段对精度影响较小，上游侧有三倍以上管径直管时可基本满足使用。当上游直管段不够（紊流严重），如在弯头、阀门、泵、阀之后装表时，一般表现为正误差。
2．管道参数输入误差对精度的影响。
流量计安装时，需输入管径、管壁厚等参数，在管道固定不变的情况下改变输入参数，测量结果如下：
表2 输入管径误差与测量结果的关系
| 管径误差（%）
实际管径 |
10 |
5 |
1 |
-1 |
-5 |
-10 |
| DN 200 mm |
20.88% |
10.23% |
2.02
% |
-2.00% |
-11.98% |
-19.10% |
| DN 500 mm |
21.10% |
10.21% |
2.01
% |
-1.99% |
-
9.75% |
-19.06% |
| DN 800 mm |
21.31% |
10.15% |
1.98
% |
-1.95% |
-10.02% |
-20.09% |
| DN
1200 mm |
20.96% |
10.30% |
2.06
% |
-2.04% |
-10.57% |
-19.66% |
表3 管壁厚度误差与测量精度的关系
管径DN200mm壁厚6mm:
| 输入壁厚(mm) |
3 |
4 |
5 |
8 |
10 |
| 误差(%) |
-
3.82 |
-
2.96 |
-
0.45 |
1.22 |
1.84 |
管径DN500mm壁厚10mm:
| 输入壁厚(mm) |
8 |
9 |
11 |
12 |
15 |
| 误差(%) |
-
0.88 |
-
1.32 |
-
0.07 |
1.39 |
3.64 |
管径DN800mm壁厚10mm:
| 输入壁厚(mm) |
5 |
8 |
12 |
15 |
18 |
| 误差(%) |
-
2.98 |
-
1.05 |
0.05 |
3.42 |
3.77 |
管径DN1200mm壁厚12mm:
| 输入壁厚(mm) |
6 |
9 |
15 |
20 |
25 |
| 误差(%) |
-
4.75 |
0.36 |
1.22 |
4.48 |
6.79 |
管径设置（输入）误差使测量结果误差扩大为 2倍，这与误差传递理论一致：
由 Q = лD2 v
/ 4
dQ
= лD v dD / 2
得
σQ = dQ/Q = 2 dD/D = 2 σD
管壁厚度设置（输入）误差与测量误差成正相关，但对测量结果影响不大。
3．内衬及管道材质的影响。
被测管道材质及内衬输入错误时，也会造成探头安装距离的计算错误，使超声波入射角产生误差，降低测量精度，严重时影响信号和设置，从而不能测量。
试验表明：管道内衬对测量的影响主要源于其造成了实际管径的变化。内衬减少了过水截面积，通过流速换算的流量相应偏小，测量误差与管道截面积变化成正比。如内衬过厚而设置时被忽略或与管壁有间隙时则一般发生探测或信号错误，因此测量时应据实准确输入内衬材料及厚度。实际应用中，遇到管内壁结垢相对均匀，信号基本正常时，也可视为内衬作一定补偿，可减少测量误差。
管道及内衬材质对测量的影响反映在声波在各种介质中传播速度的差异上。如果材质的实际声速大于设置的声速（如错把钢管当塑料管），则测量结果偏小，反之则反.
4．管圆度的影响。实际使用的管道截面不完全是圆形，尤其是大口径钢管。用超声波流量计测量时，声束穿越的方向与测量精度有关。当按实际声程输入管径时，若管道截面的计算面积小于实际面积，流量测量值偏小，如图Ａ，反之则偏大（图Ｂ）。
图 Ａ 图 Ｂ
若管径输入时已考虑管圆度因素，使计算截面与实际截面相等，图Ａ情况声程短，计算声速高，流量测量值偏大。图Ｂ情况则相反。
二、安装与计量精度的关系
1．探头安装方式及方位。一般有两种探头安装方式：V法和Z法，经验表明在不影响信号接收的情况下，V法测量精度高于Z法。由于V法探头安装便于精确定位，因此测量误差主要来自流态和管道参数。而Z法安装声程短，信号虽强，探头定位难度大，容易产生安装误差，大口径管道更突出。
2．探头间距与径向错位。
探头间距的定位错误造成声程大小误差，直接影响计量精度，严重时找不到信号。
表4 钢管V法安装探头间距偏差与测量精度的关系
间距
管径 |
-
50mm |
-20mm |
-10mm |
+10mm |
+20mm |
+
50mm |
|
200mm |
(低信号) |
2.08% |
1.65% |
-0.44% |
-4.25% |
(低信号) |
|
500mm |
4.87
% |
1.96% |
0.53% |
0.78% |
-0.06% |
-2.36% |
|
1000mm |
2.49
% |
1.66% |
-0.38% |
0.95% |
-1.04% |
-1.84% |
探头径向错位一般对测量结果影响甚微，但会关系信号强弱。安装时要求声束穿过管道中心，否则会由于声波发射与接收角度不符使信号严重衰减，直至不能测量。
3．安装环境、耦合剂、信号电缆及其他。康创1010便携式超声波流量计采用多脉冲、宽频带信号，具有一定抗电磁干扰能力，但在安装现场存在高频，特别是变频干扰源时不能完全正常工作。探头信号电缆过长会使信号衰减，一般不宜超过200米，且应使用特定阻抗的同轴电缆，专用端头，中间不能有接头。超声耦合剂尽量使用导声性能好、不易混入气体的粘性物质，如水玻璃、凡士林等。
以上简要分析了由于管道和安装等因素造成的便携式超声波流量计精度及使用中的一些问题。实际上，造成误差的主要因素有两方面：一是管道截面积的计算误差，这是所有流速法流量计的共性问题。二是超声波声程误差，根据时差法流量计的原理：
由：t1 = L / ( C + v )
t2 = L / ( C－v )
Δt = t2 － t1 = 2 L v / C2
得：v = Δt C2 / 2 L，
