提高超声热量表流量测量精度的结构设计

朱锐梁芳

（新疆计量测试研究院，新疆 乌鲁木齐830026）

0 引言

近年来，我国大力提倡节能减排，供热计量改革正在逐步发展。根据发达国家的经验，采用分户计量收费措施可节约20%-34%的能源[1]。因此，对供热收费体制和采暖系统进行改革，实现按表分户计量收费势在必行。随着改革的进行，对热量表的性能、质量的要求也越来越高。热量表由流量传感器、配对温度传感器和计算器三部分组成，流量传感器为超声波式的热量表称为超声热量表。超声热量表具有精度较高、对水质要求较低、压力损失小、可靠性好等特点，目前使用最为广泛。超声热量表一般采用时差法计算流体的流速，表体结构对流速测量影响很大。如何通过表体结构设计提高流量测量精度，特别是小流量点的测量精度，是超声热量表设计的难题之一。

1 时差法测量原理

时差法是利用两个压电换能器相互向对方发射超声波，对方接收并记录时间差，由于声波在流体中顺流传播和逆流传播的速度不同，时间差可以准确反映流体速度。测量原理见图1。

图1 时差法超声波流量测量原理图

图中，D为管道内直径，L为换能器间距，t1为超声波顺流速度，t2为逆流速度，θ为传播方向与流动方向夹角。c为超声波在非流动介质中的声速，V为介质流动速度。顺流和逆流时间可表示为：

t2和t1之间的差为：

由于V＜＜c，所以流体的流速为：

时差法所测量的流速是声道上的线平均流速，而计算流量所需是流通横截面的面平均流速VS。二者是不同的，差异取决于流速分布状况。因此，必须对流场分布进行修正。液体实际流速为：

其中，K为流速分布修正系数。

2 表体结构设计

通过时差法测量原理可知，顺流与逆流差值取决于测量管段流体流速。流速越快，差值越大，测量精度越高，小流量的流量测量尤为突出。同时，测量管段的流场稳定，流速分布差异小，则容易进行流速修正。因此，热量表表体结构一般采用以下三种设计，来提高超声热量表的流量测量精度。

2.1 表体加长

超声热量表的流量测量量程比一般为50：1或100：1。量程比越大，可检测的最小流量越小，计量能力越强。测量精度高、量程比大的超声热量表一般表体都比较长。表体较长的超声热量表，两个换能器之间的超声波声程较长，而且减少了前后连接法兰处安装偏心、垫圈偏心和前后管段内表面粗糙度等对测量管段流场的影响，从而提高了超声热量表流量测量的精度。表1为两种超声热能表的表体长度对比。其中1#为量程比为100：1，计量性能较好的德国制造的超声热量表，2#为量程比为50：1，计量性能一般的国产超声热量表。

表1 两种热量表表长对比

可以看出，流量测量精度高，稳定性好的超声热量表表体较长，是普通热量表的1.5倍左右。制造超声热量表基表的材料一般采用铸铜或不锈钢，表体加长设计在提高测量精度的同时，也增加了生产成本，这也是国产表一般不采用表体加长设计的原因。

2.2 缩径

图2 缩径设计示意图

缩径结构在DN40mm到DN100mm的超声波热量表中应用较为普遍。流量测量量程比100：1、200：1的超声热量表，基表一般都采用了缩径结构。表前端经弧形过渡到口径小一些的直管段，表后端经过同样的弧形过渡回到安装口径。如图2所示。缩径提高了测量管段水流速度，并有一定的整流作用，因此提高了测量精度，尤其是小流量的测量精度。例如，某厂家DN100mm的超声热量表，缩径部分仅为DN60mm，管中水流经缩径后，增速3倍左右。缩径结构对小流量点的流量测量非常有效，拓宽了超声热量表的流量测量范围。缩径结构的缺点是增加了管路沿途压力损失。

2.3 整流器

DN100mm以下的超声热量表，还可以采用入口端加整流器的方法，提高流量测量精度。超声热量表采用的表前整流器一般为两种方式：第一种为筛网整流板，类似于水表前端的整流器，第二种为十字整流板，见图3。筛网整流板一般用于光管表体超声热量表，而十字整流板一般用于缩径表体的超声热量表。原因在于，筛网整流板的整流效果比十字整流板好，但是对管路的阻力较大，压损较大。因此，对于光管表体超声热量表，可以采用筛网整流板整流；缩径结构的超声热量表，由于缩径有一定整流作用，再采用筛网整流压损过大，一般采用十字导流板整流，压力损失小，并且可以达到较好的整流效果。DN100mm以上超声热量表，前端一般不采用整流器。其原因是大口径超声热量表对小流量点的测量精度要求相对较低，大口径管路的压损要求较高。

图3 表前整流器示意图

3 结论

表体加长、缩径、整流器三种表体结构方式可以提高超声热量表的流量测量精度。本文详细介绍了这三种结构的特点和适用条件。一般采用三种中的若干种组合的方式，应用于DN100mm以下的超声热量表，提高了流量测量精度，尤其是小流量点的测量精度。大量检测数据证明，缩径结构和十字导流板组合的方式，流量稳定性较好，不易被水质杂质堵塞管路，对安装场地的前直管段要求较低。因此，在安装条件较为复杂，或对小流量测量精度要求较高的情况下，建议选择缩径结构、有表前整流器的超声热量表。

［1］鞠文涛.超声波热量表的设计与研发[D].浙江大学，2008：1－3.

［2］姜志成.超声波反射装置对超声波流量计内水流特性影响的研究[D].山东大学，2010：7－9.

［3］姜勇.时差法超声波流量计设计与研发[D].浙江大学，2006：13－14.