時(shí)差法多聲道超聲波流量計及其在引水工程中的應用

      1 前言

      多聲道超聲波流量計測流精度高，一般來(lái)說(shuō)一臺四聲道超聲波流量計在充滿(mǎn)水的管道中其測流精度可達±0.5%，在明渠中其測流精度可控制在±1%~±1.5%之間。多聲道超聲波流量計的核心部件是一臺微處理器（微型計算機），因此它能夠實(shí)現流量的在線(xiàn)自動(dòng)連續測量，能夠進(jìn)行數據遠傳和計算機聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現數據共享。近年來(lái)生產(chǎn)的多聲道超聲波流量計，由于采用了大規�；虺�大規模集成電路和高可靠性電子元器件，加上換能器的質(zhì)量保證已達到了前所未有的高度，因此使它一般具有10年以上的可用壽命。

      在實(shí)際使用中， 四聲道超聲波流量計已能滿(mǎn)足絕大多數用戶(hù)對測流精度的要求，而且投資適中。因此，筆者所涉及的內容以四聲道超聲波流量計為主。

      2 多聲道超聲波流量計的測流原理

      首先，分析一下單聲道即一對換能器超聲波流量計的情況。其測流原理，如圖1所示。

      設換能器、與水流方向的夾角為θ，水的流速為且不考慮橫流的影響，聲道長(cháng)度為L(cháng)，超聲波在靜水中的聲速為C。當p₁發(fā)射超聲波P₂接收時(shí)，超聲波的順流傳播時(shí)間為：     

                   （1）

      當發(fā)射P₂發(fā)射P₁接收時(shí)，超聲波的逆流傳播時(shí)間為：

                   （2）

      逆順向傳播的時(shí)間差為：

                   （3）

      因為COSθ≤1而且V²<C²，所以

                      （4）

      受水溫變化的影響，聲速C在淡水中會(huì )在1400~1500m/s之間發(fā)生變化，為了消除溫度變化的影響，將C用L和T₁、T₂代換。

      因為

      這里

      由式（4）可得：

                   （5）

      由（5）式計算出來(lái)的流速是超聲波傳播路徑上的線(xiàn)平均流速。對于測流斷面很小而且流態(tài)很好的場(chǎng)合，如對于有很長(cháng)直管段的小口徑管道，當流速在一定范圍內時(shí)，可以求出線(xiàn)平均流速和面平均流速之間的相關(guān)系數，進(jìn)而求得流量。但對于測流斷面較大、流量也比較大而且流態(tài)分布比較復雜的情況而言，很難找出線(xiàn)平均流速和面平均流速之間的相關(guān)系數。在這種情況下，就必須用多聲道超聲波流量計進(jìn)行測流。

      圖2為在充滿(mǎn)液體的圓形管道中采用平行四聲道超聲波流量計的測流原理示意圖。

      對于圖中的每一條聲道，由式（5）求出線(xiàn)平均流速，再用加權積分計算出面平均流速和流量，即：

                     （6）

                          （7）

      式中：為面平均流速；K_i 為第i 聲道加權積分系數（i=1，2，3，4）；V_i 為第i 聲道線(xiàn)平均流速（i=1，2，3，4）；S為管道橫截面面積；Q為測流斷面流量。

      3 誤差源分析和誤差控制

      將式（5）中的用T₁、T₂進(jìn)行代換并近似處理后，可得單聲道線(xiàn)流速公式：

                   （8）

      由式（7）和式（8）可以看出，造成流量測量誤差的因素主要有如下幾個(gè)方面：

      3.1 安裝測量誤差

      （1）聲道長(cháng)度L測不準引起的誤差：因為線(xiàn)流速V與聲道長(cháng)度L成線(xiàn)性關(guān)系，所以L(fǎng)的任何誤差都將給V帶來(lái)相同的誤差。

      （2）聲道角θ測不準引起的誤差：因為與COSθ成反比，所以θ的測量誤差也會(huì )引起線(xiàn)流速的誤差。如當θ=45°時(shí)，θ角有1°的誤差將會(huì )造成1.7%的線(xiàn)流速誤差。

      （3）測流截面積誤差：截面積的大小很少能測得十分精確。如，對于大截面的圓管來(lái)說(shuō)，在大多數情況下，截面都不很圓。由于流量誤差與截面積誤差成線(xiàn)形關(guān)系，所以S 的任何誤差都將給流量Q帶來(lái)與之成比例的誤差。如，0.1%的半徑測量誤差將產(chǎn)生0.2%的流量誤差。

      3.2  超聲波順逆向傳播時(shí)間T₁、T₂測不準引起的誤差

      流量誤差與T₁、T₂的誤差成線(xiàn)性關(guān)系。造成T₁、T₂測量不準的主要原因有：

      （1）由計數器中晶振頻率引起的時(shí)基誤差。

      （2）與流動(dòng)液體無(wú)關(guān)的傳播延時(shí)。包括信號電纜、邏輯電路與檢波器延時(shí)；與換能器窗有關(guān)的聲波延時(shí)以及當換能器與流場(chǎng)分離（如，當換能器被安裝在凹進(jìn)過(guò)流管道內壁）時(shí)，聲波在靜止液體中的傳播延時(shí)。

      上述時(shí)間誤差只能使增加而并不改變△T 的值，顯然會(huì )造成線(xiàn)流速V和流量Q的誤差。

      3.3 橫流誤差

      當流線(xiàn)方向與測量斷面軸線(xiàn)不平行時(shí)，類(lèi)似于聲路角的測量誤差將表現在流速中。這一效應稱(chēng)為橫流誤差，通常是由上游有彎曲流道、流道形狀及大小的變化或者障礙物離測量斷面太近引起的。

      3.4 聲信號強度變化引起的誤差

      沿任一聲道傳播的超聲波信號除正常傳播損失外，還會(huì )由于液體中夾帶汽泡、泥沙，或者由于換能器表面磨損、換能器表面附著(zhù)水生物，或者掛上雜物等而產(chǎn)生衰減和失真。元器件的性能退化也會(huì )產(chǎn)生類(lèi)似的影響。當聲信號強度過(guò)弱或嚴重失真時(shí)，如果接收機不能保證正確地識別每一個(gè)輸入脈沖的同一點(diǎn)（如脈沖的第一個(gè)前沿），那么對流量計的精度將產(chǎn)生嚴重的影響。

      3.5 積分誤差

      積分誤差被定義為通過(guò)對實(shí)際流速分布的準確積分而獲得的流量與超聲波流量計測得的離散流速數值積分而獲得的流量之差。流速分布與雷諾數和管道粗糙度有關(guān)。

      3.6 溫度和壓力變化引起的誤差

      溫度和壓力的變化會(huì )引起3種截然不同的潛在性誤差。首先是溫度和壓力對聲速的影響；二是溫度和壓力的變化會(huì )引起管道尺寸的變化：三是溫度的變化會(huì )引起流速分布的變化。

      3.7 脈動(dòng)流引起的誤差

      3.8 其他誤差

      如，量化誤差等。

      對于上述8種誤差源，只要在超聲波流量計的設計制造及現場(chǎng)安裝中采取預防措施，就能很好地予以控制，使流量計的總誤差符合實(shí)際測流的要求具體措施如下：

     （1）在流量計的安裝過(guò)程中，采用專(zhuān)用安裝測量工具或使用高精度的經(jīng)緯儀、鋼尺對每一對換能器的聲道長(cháng)度進(jìn)行多次測量取平均值作為準確值，這樣可使聲道長(cháng)度誤差保持在0.1%以下。采用高精度激光經(jīng)緯儀對換能器定位，可使聲道角的測量誤差小于0.03°。在測流段的多個(gè)相鄰斷面上多次測量管道的截面積并用其平均值作為準確值，可基本上保證流量誤差小于0.2%。在有條件的地方，例如對于直管段很長(cháng)的鋼管，當其半徑不很大而且具備施工條件時(shí)，可在鋼管上安裝“測量管”，測量管的內徑與被測管道的內徑完全相同。由于測量管是經(jīng)精密機械加工而成而且換能器的安裝也是在測量管上預先進(jìn)行的，這樣就避免了測流現場(chǎng)安裝誤差可能會(huì )較大的情況發(fā)生，其代價(jià)是增加了工程投資。

     （2）為了保證聲波逆順向傳播時(shí)間測量的準確性，多聲道流量計在設計制造時(shí)，采取了以下措施：① 計數器電路中采用80MHz以上的高穩定度石英晶體振蕩器，時(shí)基誤差控制在±12.5 ns以下。② 在實(shí)驗室中，準確測量信號電纜、邏輯電路和檢波器等儀器硬件的延時(shí)并在實(shí)際安裝現場(chǎng)予以合理的測算，然后從總傳播時(shí)間中扣除。③從流量計面板上輸入有效聲道長(cháng)度系數，對存在靜止液體的聲道進(jìn)行修正。

     （3）對于橫流誤差，可以采取兩種方法予以控制：① 將聲道定位在盡可能遠離測量流道的彎曲部。當這一條件不具備時(shí)，應將聲道定位在與彎曲部的平面垂直的位置，以盡量減少橫流誤差。② 另一種可選擇的辦法是在與原聲道相同的高程上增加同等數量的聲道，但安裝的角度相反，如圖3所示。