管道对超声波流量计计量准确度的影响分析

刘敦利,蔡 勤

（新疆计量测试研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

管道对超声波流量计计量准确度的影响分析

刘敦利,蔡 勤

（新疆计量测试研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

管道是超声波流量计计量准确度的重要影响因素之一，研究管道和示值误差之间的定量关系是提高计量准确度的关键。在设定的实验条件下，分别改变管道内径和壁厚两个参数，观测瞬时流量的变化情况。根据实验数据得到两者与流量误差的数学关系模型，进而计算得到管道与瞬时流量的数学模型，可以定量的表述管道变化对超声波流量计计量准确度的影响，由此实现对其计量准确度的有效修正。

超声波流量计；计量准确度；管道；内径；壁厚；数学模型

0 引 言

随着现代化工业及电子技术的发展，超声波流量计越来越多的应用到石油、化工、冶金、电力、给排水等多方面，其方便携带和安装的特性使其得到普遍青睐[1-5]。但受现场环境、安装方式、测量准确度等方面的影响，其计量准确度有待进一步的提高。特别是作为标准表校准或检定其他流量计时，其计量准确性显得尤为重要和关键。影响超声波流量计计量准确度的因素有多方面，包括现场环境、流体介质、安装管道、安装方式等[6-7]。所以，理清它们与计量准确度之间的定量关系，成为提高超声波流量计计量准确度的关键所在。

本文主要研究安装管道对超声波流量计计量准确度的影响。安装管道包括管道的材质、内径、壁厚等。由于管道材质比较容易确定，不存在争议，所以本文重点研究管道内径和壁厚两个因素。在实验室环境下，利用实验室的标准装置和计量器具进行多组实验，从管道内径和壁厚两个方面分别研究与超声波流量计瞬时流量之间的关系，以期从大量数据中分析他们之间的定量关系。进而综合两个方面的因素，建立管道与超声波流量计计量准确度的数学模型，从而定量研究两者之间的相关关系。

1 实验条件

实验室环境温度：28.2℃，相对湿度35%RH。研究采用PT878液体超声波流量计（GE Panametrics），准确度等级为0.5级，是在用的标准计量器具。实验

使用的标准装置是静态水流量标准装置，准确度等级为0.05级。

流量计安装在DN200 mm的标准直管道上，管道长度为6000mm，内径为200.00mm，壁厚为4.60mm，材质为碳钢，无衬里，标准安装距离：184.29mm，V法安装，介质为循环水，介质温度为29.2℃，信号强度63.2，瞬时流量设为200.00m3/h。

2 管道内径与瞬时流量的关系

众多研究表明，在用超声波流量计进行流量计量时，管道内径的准确输入对流量的精确度影响很大[8]。但两者之间究竟是怎样的定量关系却没有一个明确答案。有人提出管道内径误差±1%会相应引起±2%的流量误差，但这一概念比较模糊[9]；也有人针对这一问题做过一些实验，但也只是证明了流量受内径的影响很大[10]。

本实验的标准管道内径是200.00mm，超声波流量计瞬时流量为200.07 m3/h。在实验环境、操作方法和其他参数保持不变的前提下，分别设定相对误差为±1%、±3%、±5%、±10%的内径，观察瞬时流量的变化。分别输入设定的管道内径，等待瞬时流量稳定5 min，采用多次读数取平均值的方法（n=10）读取瞬时流量的值。

对实验数据进行分析和计算，得到表1。从表中的数据可以得出如下结论：（1）超声波流量计的瞬时流量随内径的增大而增大，反之亦然，即瞬时流量与内径成正比关系；（2）瞬时流量的误差随内径误差的增大而增大，误差比在1.5～2.5之间；（3）根据实验数据拟合瞬时流量误差与内径误差的数学关系模型为（见图1）。

式中：y——瞬时流量相对误差，%；

x1——内径相对误差，%。

根据这一数学模型可以定量描述瞬时流量与管道内径之间的关系。只要知道了内径的相对误差，即可代入模型，得出瞬时流量的相对误差，从而实现对超声波流量计瞬时流量地有效修正。

在实际使用中，由于污垢、介质的沉淀，管道内径逐渐变小，内径实际值逐渐减小，即其输入值偏离实际值越来越大，测得的瞬时流量也就偏离实际流量越来越远。可见，管道内径值的正确输入对超声波流量计的精确计量至关重要。所以，有必要针对管道内径作定期的测量，在不方便改变流量计参数设置和安装现状的情况下，可以根据数学模型对测得的瞬时流量进行有效修正，从而避免内径误差对流量计计量准确度的影响。

3 管道壁厚与瞬时流量的关系

本实验的标准管道壁厚是4.60mm，超声波流量计瞬时流量为200.10m3/h。在实验环境、操作方法和其他参数保持不变的前提下，改变壁厚的设定值，观察瞬时流量的变化，如表2所示。根据两者的相对误差可以分析得出：瞬时流量的变化与壁厚成反比关系，即壁厚减小时瞬时流量增大，反之亦然；瞬时流量误差随壁厚误差增大而增大，两者基本成线性关系；拟合瞬时流量误差和壁厚误差的关系曲线（见图2），得到数学关系模型：

式中：y——瞬时流量相对误差，%；x2——壁厚相对误差，%。

4 管道与瞬时流量的关系

以上针对管道内径和壁厚的实验均是在不改变其他参数的前提下进行的。但在实际情况下却是不同的。众所周知，在管道外径一定的情况下，内径和壁厚的和也是一定的，即内径增加时壁厚减小，反之亦然。用数学公式表达为

式中：a——内径；

b——壁厚；

c——外径（设定管道无村里）。

在实际使用中，受介质污垢沉淀的影响，a会减小，b会增加，c却保持不变，设为常数。

设定受污垢沉淀的影响，管道壁厚b增加m，则根据式（3），内径a减少2m；壁厚相对误差x2=m/b，内径相对误差x1=2m/a；又a=c-2b，b=m/x2，所以：

根据式（1）、式（2）和式（4），得到瞬时流量误差y和管道壁厚增加m的关系式：

由于管道外径c为常数，所以设x=m/c，即x为壁厚变化量与外径的比值。则：

这便得到管道与超声波流量计计量准确度的数学模型。在确定管道变化量（即知道了x的值）后就能够计算出流量计的计量误差（即流量误差y）。

5 结束语

研究表明，管道对超声波流量计计量准确度的影响很大，本文针对这一问题从管道内径和壁厚两个方面分别进行实验，得出他们与流量误差之间的数学模型，同时根据两者之间的数学关系得到管道与流量误差的数学模型，很好地表达了管道变化与流量误差之间的定量关系。

已知改变了管道参数，则超声波流量计安装位置就会发生改变。而在实际使用中，流量计一旦安装就不方便轻易移动，特别是插入式的流量计。本文的研究成果可以很好地避免这一难题，通过数学模型有效实现了对流量误差的修正，从而提高流量计的计量准确度。

本文运用数学模型表达出管道与超声波流量计计量准确度的关系，对于超声波流量计计量准确度影响因素的定量研究起到了一定的引导作用。同时，计量准确度的影响因素还有介质参数、安装方式等方面，有待进一步完善。

[1]曹斌，张良田，赵斌.浅谈超声波流量计的安装和使用[J].中国计量，1999（10）：46-47.

[2]李立新.超声波流量计在天然气流量计量上的应用[J].工业计量，2003（2）：48-50.

[3]于德兴，苏立明，王兴涉.用FLB便携式超声波流量计对在线流量计进行比对测试方法探讨[J].计量技术，2003（1）：14-15.

[4]吴卫玲，宋喜报.基于超声波原理的流量计设计及软件实现[J].实用测试技术，2000，26（5）：23-24.

[5]颜一凡，刘勇，龚峰.便携式超声波流量计在管线测量中的应用[J].中国计量，2010（3）：106-107.

[6]郑鸿宇，王景阳，袁爱军，等.超声波流量计计量偏差分析[J].计量技术，2008（2）：72-73.

[7]何群.超声波流量测量系统的关键技术研究与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2004.

[8]胡江顺，何松杰.管道参数对便携式超声波流量计测量的影响[J].计量技术，2001（9）：5-6.

[9]何明武，张民理.超声波流量计测量误差分析与校验[C]∥企业计量测试与质量管理年会.乌鲁木齐：中国计量测试学会，2005：457-463.

[10]姚新益.超声波流量计的特点及误差分析[J].计量技术，1999（8）：40-42.

Analyses of pipe affection on measurement accuracy of ultrasonic flowmeter

LIU Dun-li，CAI Qin
（Xinjiang Uygur Autonomous Region Institute of Measurement and Testing，Urumqi 830011，China）

Pipe is one of the important factors for the measurement accuracy of ultrasonic flowmeter. So the quantitative relationship between them is very important to study.In the experimental conditions，two parameters，i.e.，the internal diameter and wall thickness of the pipes were changed in order to observe the instantaneous flow.The mathematical models were built including flow errors.Mathematical model between the pipe and the instantaneous flow was achieved by furthercalculation.The model demonstrated the influence of pipe changesquantitatively for ultrasonic flowmeter.This realized effective correction for measurement accuracy.

ultrasonic flowmeter；measurement accuracy；pipe；internal diameter；wall thickness；mathematical model

TK313；TB553；TH814；TM930.114

：A

：1674-5124（2014）04-0042-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.011

2013-06-16；

：2013-08-08

刘敦利（1984-），男，江苏连云港市人，工程师，硕士，主要从事流量计量相关工作。