影响超声热量表流量检定结果的因素

朱 锐　亚力坤　王 鹏 / 新疆维吾尔自治区计量测试研究院

影响超声热量表流量检定结果的因素

朱 锐亚力坤王 鹏 / 新疆维吾尔自治区计量测试研究院

归纳总结了大量的超声热量表流量分量检定工作，逐条分析了温度修正、启停效应、台位差、密封垫圈、安装角度、管道翘曲、人为读数等影响超声热量表流量检定结果的各个因素，并进行了多组实验验证，总结出一定的规律。了解这些影响流量检定结果的因素，能够有效提高超声热量表流量检定结果的准确性，对超声热量表及其他流量计的检定工作有一定参考意义。

超声热量表；流量检定；温度修正；台位差；密封垫圈；安装角度

0　引言

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。流量传感器为超声流量计的热量表称为超声热量表，目前市场上主要为超声热量表。

根据JJG 225-2001《热能表检定规程》［1］，一般采用分量法进行检定，即：分别对流量传感器、配对温度传感器、计算器进行检定。大口径超声热量表使用DN（50～300）mm热水流量标准装置进行流量分量检定，主标准器为一组高精度电子秤，准确度等级为0.1级，检定温度为（50±5）℃。本文通过总结大量超声热量表的流量检定工作，分析各种因素对超声热量表流量检定结果的影响。

1　影响因素分析

1.1温度修正

超声热量表一般采用时差法计算流速，流量与超声波速度的平方成正比。而超声波速度是对介质温度变化较为敏感的一个物理量，水中声速与水温关系见图1。超声热能表的工作温度范围较大，因此超声热量表必须进行温度修正，才能得到准确的流量值。目前市场上的超声热量表大部分为进水安装，表体有温度传感器安装口。在流量分量检定中，正确安装进口温度传感器，超声热量表通过读取进口温度自动修正流量值。而有些热量表的体表没有温度传感器安装口，在检定过程中，应将进口温度传感器放置于与检测水温一致的恒温槽中，才可以得到正确的流量示值误差。

图1　水中声速与水温关系

1.2启停效应

热量表流量检定按照读取数值方法，可分为启停法和动态法。启停法读数准确，便于操作，但存在启停效应，也就是水锤效应。当阀门突然关闭时，水流对阀门会产生一个瞬间压力，后续水流在惯性作用下，压力迅速达到最大，对阀门具有较大的破坏作用。因此，在大口径热水流量标准装置中，检定流量点大于40 m3/h时，不允许使用启停法。根据公称流量点大小，DN80 mm及以下口径的超声热量表可以使用启停法进行流量分量检定。适当增加检定用水量，能够有效减少启停效应对流量检定结果的影响，使检定数据重复性得到改善。

1.3台位差

大口径热水流量标准装置的检定管段布局中，DN（50 ～ 100）mm口径的检定管段可以同时装夹多块超声热量表，串联进行流量检定，提高了流量检定效率。串联位置不同，即台位差，对流量检定结果有一定影响。这是因为超声热量表采用了多种结构样式，尤其是缩径设计的超声热量表较多。缩径的超声热量表压力损失较大，并且前端的缩径管段对后续管段的流场分布有影响，从而导致不同台位时超声热量表流量检定结果的差异。以一次检定数据为例：一组缩径结构的DN65 mm的超声热量表，采用静态质量法，水流顺流方向的三个检定台位为1#、2#、3#台位，其中一只热量表在不同台位的流量检定数据见表1，示值误差取三次检定结果的平均值。可以看出，缩径设计的超声热量表，台位差对流量示值误差有一定影响。如果超声热量表作为核查标准或比对标准，应在顺流第一个台位进行流量示值误差检定，此情况下，结果更为准确可靠。

表1　台位差对流量示值误差的影响

1.4密封垫圈

在装夹热量表时，需要使用密封垫圈，以保证通水后不会漏水。由于O型圈密封性一般，目前装夹热量表时使用圆形垫圈。使用时，要注意垫圈大小是否合适，是否偏心安装。垫圈偏小，或者偏心安装，均会给流量检定结果带来较大误差，热量表前端垫圈的影响尤为明显。为此特意做以下试验：DN80 mm的超声热量表，被检表前端分别用DN65 mm和DN80 mm的圆形垫圈密封装夹，比较两种情况下的流量示值误差，两次检定结果见表2，示值误差均取三次检定结果的平均值。可以明显看出，不合适的垫圈对流量示值误差有很大影响，尤其是小流量点。这是因为不合适的垫圈或偏心安装影响了检测段的流场分布，因此，装夹热量表时，一定要选用合适的密封垫圈，并正确安装。

表2　表前垫圈对流量示值误差的影响

1.5安装角度

超声热量表一般为水平或者垂直安装。安装大口径超声热量表时，换能器探头平面应与地面平行，特殊情况需要倾斜时，倾斜角度不得超过30°。在某单声程DN150 mm超声热量表的流量检定中，比较了无倾斜角和倾斜角为20°两种情况下的流量示值误差，两次检定结果见表3，示值误差均取三次检定结果的平均值。可以看出，与无倾斜角相比，20°倾斜角安装对每个流量点示值误差都有不同程度的增加，小流量点增加3%左右。因此，在检定和实际施工中，应尽量无倾斜角安装，从而保证超声热量表的计量准确性。

表3　安装角度对流量示值误差的影响

1.6管段翘曲

大口径热量表的流量检定过程中，存在一定程度的检测管段翘曲的问题，原因如下：

（1）DN100 mm以下检测管段串联热量表检定，再由气动装置压紧整个检测管段。前段由于受力较大，容易发生管段翘曲；

（2）热水流量标准装置经过几年频繁使用，管段法兰面发生微小变形导致的管段翘曲。翘曲后，管道中的流场发生变化，导致流量的偏差。在实际检定工作中，被检热量表前管段明显翘曲时，被检超声热量表的小流量点误差偏离较大，且重复性较差，应尽量避免此种情况的发生。

1.7人为读数误差

DN100 mm以上的超声热量表流量分量检定，由于公称流量超过40 m3/h，只能使用动态法。实际操作中，检定人员在读取被检表数值的同时，换向器切换水流，从而保证标准值的准确性。由于各厂家超声热量表检定状态下数据显示频率不同、检定人员读数习惯等原因，存在人为读数误差。需要总结经验，熟练操作，把人为读数误差尽量降低。

2　结语

本文从大量的超声热量表检定工作实际出发，发现问题后深入研究，对影响流量分量检定结果的各个因素逐条分析，并进行实验验证，总结规律，有效提高了超声热量表流量检定结果的准确性，对超声热量表及其他流量计的检定工作有一定参考意义。

［1］ 全国流量、容量计量技术委员会.JJG 225-2001 ［S］.北京：中国计量出版社，2002。

［2］ 全国流量、容量计量技术委员会.JJG 686-2006 ［S］. 北京：中国计量出版社，2006.

［3］ 城市建设研究院.CJ 128-2007［S］. 北京：中国标准出版社，2008.

［4］ 张永兵，杜红，杨焕诚. 热水流量标准装置技术方案［J］. 内蒙古科技与经济，2011，20：79-80.

［5］ 岑敏锐. 超声波在液体中的传播速度与温度的关系 ［J］. 物理实验， 2008，05：39-41.

Influence factors of flow verification of ultrasonic heat meter

Zhu Rui， Ya Likun， Wang Peng
（Xinjiang Institute of Measurement and Testing Technology）

This paper summarized a lot of flow verification work of ultrasonic heat meter， analyzed temperature correction， start-stop effect，different position， gaskets， installation angle， pipe warp， anthropogenic reading and other influence in the flow verification work， and conducted several experiments to verify the conclusion， summed up certain rules. Understanding these factors of the flow verification influence， will improve the accuracy of the flow verification results of ultrasonic heat meter. It has reference values for ultrasonic heat meter and other flow meter verification work.

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