1 前言
目前，工业领域面临着能源过度的问题，节能减排已成为大型生产企业急需解决的课题。流量计转生产线的重要计量器具，不仅是直接反映生产能耗的基础设备，也是控制能耗的首要环节。由于生产计划，许多企业的流量计无法被卸下而需要在线校准。超声波流量计转一种精度高、非接触式、易携带安装的计量器具，广泛被应用于流量计的在线校准。因此，本文介绍如何应用超声波流量计在线校准浮子流量计并对其过程进行测量不确定度的评定。
2 超声波流量计工作原理
超声波在流体中的传播速度与流体的流速有关。沿流体的顺流方向，超声波的传播速度增大；逆流方向的传播速度减小。同一超声波沿流体不同流向产生了时间差，该差值与流体的流速存在一定的关系。假设直段管道内有2个超声波传感器，传感器1位于流体上游，传感器2位于流体下游，则传感器之间存在如下关系：
 （1）
（2）
式中：L—两个超声波传感器之间的直线距离；
T12—沿流体逆向，超声波从传感器1传播至传感器2所用的时间；
T21—沿流体顺向，超声波从传感器2传播至传感器1所用的时间；
C—超声波在静止流体中的传播速度；
x—L在管道中沿管道轴向的分量。
根据上式可知：当传感器的位置和管道几何参数为已知量，则流体的流速正比于时间项。
3 浮子流量计在线测量
3.1 校准环境与安装条件
超声波流量计是根据超声波在管道内传播时间差反映流体流速的，所以被测段的流体状态对测量结果影响很大。测量时，应避免被测段的流体处于湍流状态。一般应注意以下几点：
（1）计量现场应无明显振动，周围无电磁干扰。
（2）探测器安装位置的上游直管段长度至少为管径的10倍以上，下游的直管段长度至少为管径的5倍以上；上游30倍管径的沿程内应没有扰流因素，比如泵、阀引起的流速分布不均匀。
（3）管道始终充满流体，流体内不能含有大量的气泡或异物。
（4）对于水瓶管道，为了避免滞留空气或沉积物影响测量结果，在水平面的±45°内安装探测器。避免将探测器安装在管道变形、凸起或焊接部分。
（5）如管道表面有涂层、腐蚀班或是不平整，用油漆稀释剂和砂纸清除。
（6）查看被检的浮子流量计是否有泄漏、振动的情况，刻度是否清晰，便于观察。
（7）对于1.0和1.5级的浮子流量计，安装倾斜角度不应超过2°；2.5级及以下的浮子流量计不应超过5°。
3.2 探测法的选择
根据探测器的分布位置，探测法分为V法和Z法。V法：两探测器均处于管道外同侧，探测器之间连线与管道轴线平行。Z法：两探测器处于管道外两侧，两探测器之间连线与管道轴线交叉。在下列情况下使用Z法：
（1）需要节省安装空间（Z法的安装空间约为V法的一半）。
（2）需要测量污水等浑浊的流体。
（3）管道内有砂浆衬里或是较厚水垢。
3.3 测量步骤
（1）确认管道的内、外径；对于非标准的管道，用游标卡尺和测厚仪等工具测量管道的外径与壁厚。
（2）在仪表中输入相关参数：管道内、外径；管道材料；流体介质；探测法类型等。
（3）待仪表调零后确定探测器安装距离。
（4）在探测器表面涂上适量硅脂，根据“安装条件”安装探测器，查看超声波信号接受是否正常。
（5）待被检流量计与超声波流量计读数稳定后，读取两仪表的流量值，计算示值误差。
3.4 注意事项
（1）当超声波流量计信号异常或是无信号时，查看管道表面是否有涂层、探测器是否紧贴管道表面。在排除上述问题但仍信号异常的情况下，查看现场周围是否有电磁干扰，比如：大功率水泵、变频器、变压器等。
（2）当测量值与被检示值存在明显偏差时，查看探测器安装位置是否合理。在满足安装条件的情况下，尽可能对安装位置做调整：同一条管道布置有高低时，探测器安装在较低的管路上；探测器尽量不要靠近管路的终端；尽量选择流体向上流动的管路安装探测器；管路内结垢严重，更换管路。
（3）当测量值存在明显波动时，适当设置阻尼参数，延长响应时间。
（4）当流量发生变化但测量值保持不变时，检查管道规格是否正确；探测器是否安装在焊接部分；探测器安装尺寸是否正确；探测器表面是否涂有足够的润滑脂；尝试更换探测法类型；避免使用加长电缆。
4 不确定度评定实例
本文利用超声波流量计在线校准浮子流量计，流量范围：（16～160）L/min，流体介质为水。
4.1 测量模型
利用超声波流量计在线计量浮子流量计，相当于采用标准表法进行计量。标准流量计和被检流量计串联在现有的流量管道上，刻度状态相同，流量无需经过修正。示值误差根据下式：
（3）
式中：qm—被检浮子流量计的流量显示值，L/min；
qv—标准超声波流量计的流量实际值，L/min；
qmax—被校流量计的上限刻度值，L/min。
标准不确定度：
 
灵敏系数：c1=1/qmax；c2=-1/qmax
4.2 不确定度的来源：
（1）输入量qm的不确定度
测量的重复性引入的不确定度：u（qm）
浮子流量计在80L/min时，对被检流量计测量10次，结果如表1。
表1
 
测量平均值 ，标准方差S=0.13L/min，u（qm）= 。
（2）输入量qv的不确定度：
①测量重复性或仪表分辨力引入的不确定度：u1（qv）
超声波流量计在80L/min时，对被检流量计测量10次，结果如表2。
表2
 
测量平均值 ，标准方差S=0.022L/min，u1（qv）=
超声波流量计分辨力引入的不确定度：
仪表的分辨力为0.001L/min；按均匀分布计算k= ，则u1（qv）=0.00058L/min
在两者中去较大者，0.007L/min＞0.00058L/min，则u1（qv）=0.007L/min
②超声波流量计示值误差引入的不确定度：
示值误差为流量读数的0.26%，按均匀分布计算k=
则u1（qv）=83.007×0.26/ =0.125L/min
 
由以上数据合成标准不确定度为：
 ，其扩展不确定度为：U=k×uc=0.2%（k=2）
5 结果分析
由以上不确定度的结果可以得出：测量不确定度的来源主要是超声波流量计的示值误差，其次是浮子流量计的测量重复性，小的是超声波流量计的测量重复性。
虽然不确定度的来源主要是标准器的精度，但是测量前期的准备工作，包括：现场环境与校准条件的确认，探测器安装位置与探测法的选择等。这些因素也很大程度影响了测量结果。

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