1 前言
目前(qián)，工業領域面臨着(zhe)能源過度的問題(tí)，節能減排已🍉成爲(wei)☎️大🍓型🔱生産企業急(jí)需解決的課題。 流(liú)量計 作爲生産線(xiàn)的重要計量器具(ju)，不僅是直接反映(ying)生産能耗的基💔礎(chǔ)設備，也是控制能(neng)耗的首要環節。由(you)于生産計劃，許🏒多(duō)企業的流量計無(wu)法被卸下而需🏃要(yao)在線校準。 超聲波(bō)流量計 作爲一種(zhǒng)精度高、非接觸式(shi)、易攜帶安裝的計(jì)量器☎️具🍉，廣泛被🌍應(yīng)用于流量計的在(zài)線校準。因此，本文(wen)介紹如何應用超(chāo)🌈聲波流量💯計在線(xian)校準浮子流量計(jì) 并對其過程進行(háng)測量不确定度的(de)評定。
2 超聲波流量(liang)計工作原理
超聲(shēng)波在流體中的傳(chuán)播速度與流體的(de)流速有關。沿💯流體(tǐ)的順流方向，超聲(sheng)波的傳播速度增(zeng)大；逆流方向的傳(chuan)播速度減✂️小。同一(yi)超聲波沿流體不(bú)同流向産生了時(shí)間差，該差值與流(liu)體的流速存在一(yi)定的關系。假設直(zhí)段管道内有2個超(chāo)聲波傳感器，傳感(gan)🛀器1位于流體✂️上遊(yóu)，傳感器2位于流體(ti)下遊，則傳感器之(zhī)間存在如下🔱關系(xì)：
 （1）
（2）
式中：L—兩個超聲波(bo)傳感器之間的直(zhí)線距離；
T12—沿流體逆(nì)向，超聲波從傳感(gǎn)器1傳播至傳感器(qi)2所用的時間🐕；
T21—沿流(liu)體順向，超聲波從(cóng)傳感器2傳播至傳(chuan)感器1所用的時間(jian)；
C—超聲波在靜止流(liu)體中的傳播速度(du)；
x—L在管道中沿管道(dao)軸向的分量。
根據(ju)上式可知：當傳感(gan)器的位置和管道(dào)幾何參數爲已💜知(zhī)量，則㊙️流體的流速(sù)正比于時間項。
3 浮(fú)子流量計在線測(ce)量
3.1 校準環境與安(an)裝條件
超聲波流(liu)量計是根據超聲(shēng)波在管道内傳播(bō)時間差反映流體(ti)流速的，所以被測(cè)段的流體狀态對(duì)測量結果影響很(hen)大。測🍉量時，應避免(mian)被測段的流體處(chù)于湍流狀态。一般(bān)應注意以下幾點(diǎn)：
（1）計量現場應無明(míng)顯振動，周圍無電(dian)磁幹擾。
（2）探測器安(ān)裝位置的上遊直(zhi)管段長度至少爲(wei)管徑的10倍以上，下(xia)遊的直管段長度(dù)至少爲管徑的5倍(bei)以上；上遊30倍🔞管徑(jing)的沿☁️程内應沒有(yǒu)擾流因素，比如泵(bèng)、閥引起的流速分(fèn)布不均勻。
（3）管道始(shi)終充滿流體，流體(tǐ)内不能含有大量(liang)的氣泡或異物🔴。
（4）對(duì)于水瓶管道，爲了(le)避免滞留空氣或(huo)沉積物影響測量(liàng)❌結果，在水平面的(de)±45°内安裝探測器。避(bì)免将探測器安裝(zhuāng)在🐅管道變形、凸起(qǐ)或焊接部分。
（5）如管(guǎn)道表面有塗層、腐(fu)蝕班或是不平整(zhěng)，用油漆稀釋劑🥰和(hé)砂紙🌐清除。
（6）查看被(bei)檢的浮子流量計(ji)是否有洩漏、振動(dong)的情況，刻度是否(fou)清晰，便于觀察。
（7）對(duì)于1.0和1.5級的浮子流(liu)量計，安裝傾斜角(jiao)度不應超過2°；2.5級及(ji)以下的浮子流量(liang)計不應超過5°。
3.2 探測(ce)法的選擇
根據探(tàn)測器的分布位置(zhì)，探測法分爲V法和(he)Z法。V法：兩探測器均(jun1)處于管道外同側(cè)，探測器之間連線(xian)與管道軸線平🐅行(hang)。Z法：兩探測器處于(yu)管道外兩側，兩探(tàn)測器之間連線與(yǔ)管道軸🔞線交叉。在(zai)下列情況下使用(yòng)✌️Z法：
（1）需要節省安裝(zhuang)空間（Z法的安裝空(kong)間約爲V法的一半(ban)）。
（2）需要測量污水等(děng)渾濁的流體。
（3）管道(dào)内有砂漿襯裏或(huo)是較厚水垢。
3.3 測量(liang)步驟
（1）确認管道的(de)内、外徑；對于非标(biāo)準的管道，用遊标(biāo)卡尺和👣測厚儀📱等(děng)工具測量管道的(de)外徑與壁厚。
（2）在儀(yi)表中輸入相關參(can)數：管道内、外徑；管(guan)道材料；流體⛱️介質(zhì)；探測法類型等。
（3）待(dai)儀表調零後确定(dìng)探測器安裝距離(li)。
（4）在探測器表面塗(tu)上适量矽脂，根據(jù)“安裝條件”安裝探(tàn)❌測器，查看☁️超聲波(bō)信号接受是否正(zheng)常。
（5）待被檢流量計(jì)與超聲波流量計(ji)讀數穩定後，讀取(qu)兩儀表的流量值(zhí)，計算示值誤差。
3.4 注(zhu)意事項
（1）當超聲波(bo)流量計信号異常(cháng)或是無信号時，查(cha)看管道表面是否(fǒu)🧡有塗層、探測器是(shì)否緊貼管道表面(mian)。在排除🈲上述問題(tí)但仍信号異常的(de)情況下，查看現場(chang)周圍是✊否有電磁(cí)幹擾，比如：大📐功率(lǜ)水泵、變頻器、變⁉️壓(ya)器等。
（2）當測量值與(yǔ)被檢示值存在明(míng)顯偏差時，查看探(tàn)測🙇🏻器安裝位置是(shì)否合理。在滿足安(an)裝條件的情況下(xià)，盡可能對安裝✏️位(wei)置做調整：同一條(tiáo)管道布置有高🐉低(di)時，探測器安裝在(zai)較低的管路上；探(tan)測器盡量不要靠(kao)近管路的終端🐕；盡(jin)量選擇❤️流體向上(shàng)流動的管⁉️路安裝(zhuāng)探測器；管路内結(jie)垢嚴重，更換管路(lu)。
（3）當測量值存在明(míng)顯波動時，适當設(shè)置阻尼參數，延長(zhang)響應時間。
（4）當流量(liang)發生變化但測量(liàng)值保持不變時，檢(jian)查管道規格是否(fǒu)正确；探測器是否(fou)安裝在焊接部分(fèn)；探測器安裝尺寸(cùn)是否正确；探測器(qi)表面是否塗有足(zú)夠🐆的潤滑脂；嘗試(shì)♉更換探測法類型(xing)；避免✉️使用加長電(diàn)纜。
4 不确定度評定(dìng)實例
本文利用超(chao)聲波流量計在線(xian)校準浮子流量計(jì)，流量範圍：（16～160）L/min，流體介(jiè)質爲水。
4.1 測量模型(xíng)
利用超聲波流量(liàng)計在線計量浮子(zi)流量計，相當于采(cǎi)用标準表法進行(hang)計量。标準流量計(jì)和被檢流量計串(chuan)聯在現有🈲的流🥵量(liang)管道上，刻度狀态(tài)相同，流量無需經(jīng)過修正。示值誤差(chà)根據下式：
（3）
式中：qm—被(bèi)檢浮子流量計的(de)流量顯示值，L/min；
qv—标準(zhǔn)超聲波流量計的(de)流量實際值，L/min；
qmax—被校(xiào)流量計的上限刻(kè)度值，L/min。
标準不确定(ding)度：
 
靈敏系數：c1=1/qmax；c2=-1/qmax
4.2 不确(què)定度的來源：
（1）輸入(rù)量qm的不确定度
測(cè)量的重複性引入(rù)的不确定度：u（qm）
浮子(zǐ)流量計在80L/min時，對被(bèi)檢流量計測量10次(cì)，結果如表1。
表1
 
測量(liàng)平均值 ，标準方差(chà)S=0.13L/min，u（qm）= 。
（2）輸入量qv的不确定(ding)度：
①測量重複性或(huo)儀表分辨力引入(rù)的不确定度：u1（qv）
超聲(sheng)波流量計在80L/min時，對(duì)被檢流量計測量(liang)10次，結果如表2。
表2
 
測(cè)量平均值 ，标準方(fāng)差S=0.022L/min，u1（qv）=
超聲波流量計(ji)分辨力引入的不(bu)确定度：
儀表的分(fen)辨力爲0.001L/min；按均勻分(fen)布計算k= ，則u1（qv）=0.00058L/min
在兩者(zhe)中去較大者，0.007L/min＞0.00058L/min，則u1（qv）=0.007L/min
②超(chāo)聲波流量計示值(zhí)誤差引入的不确(què)定度：
示值誤差爲(wei)流量讀數的0.26%，按均(jun)勻分布計算k=
則u1（qv）=83.007×0.26/ =0.125L/min
 
由(you)以上數據合成标(biao)準不确定度爲：
 ，其(qí)擴展不确定度爲(wèi)：U=k×uc=0.2%（k=2）
5 結果分析
由以上(shàng)不确定度的結果(guo)可以得出：測量不(bú)确定度❄️的來源❗主(zhǔ)要是超聲波流量(liang)計的示值誤差，其(qí)次是浮子流量🔞計(ji)的測量重複性，最(zuì)小的是超聲波流(liú)量計的測量重複(fu)性。
雖然不确定度(dù)的來源主要是标(biāo)準器的精度，但是(shi)測量前期的準備(bei)工作，包括：現場環(huan)境與校準條件的(de)确認，探測器安裝(zhuāng)👣位置與探測法的(de)選擇等。這些因素(sù)也♋很大程度影響(xiang)了測量結果。

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