超声波热量表测量准确度的影响因素探讨获奖科研报告

超声波热量表测量准确度的影响因素探讨获奖科研报告【摘

要】为了提高超声波热量表的应用质量，要结合其应用过程落实对应的管控工作，对可能影响其准确度的因素予以全面分析。本文从时差法超声波热量测量、频差法热量测量等方面介绍了超声波热量表测量的原理，并着重讨论了超声波热量表测量准确度的影响因素。

【关键词】超声波;热量表测量;影响因素;准确度

超声波热量表是目前应用较为广泛的供热计量产品，其应用优势较为突出，但是在实际应用中也会存在测量准确度不足的情况，需要全面分析影响因素以便于优化相关工作。

一、超声波热量表测量原理

超声波热量表测量过程中，主要是在流量测量的基础上配合温度测量，主要是依据流体自身流量参数、供水-回水温差等予以判定，而超声波热量表就是借助超声波信号在不同介质中顺流以及逆流传播产生的时差完成测量评估。

时差法流量测量原理，时差法在实际应用中是借助超声波换能器完成相互交替处理过程，实现超声波的收发，并且，在实际测定过程中，要观测超声波在介质中的顺流时间、逆流时间，按照时间差完成流体流速的测定分析，配合流速计算流量，这本身就是一种较为间接且高效的处理机制[1]。值得一提的是，时差法流量测量的准确性的决定性因素就是微小时差t的分辨率，也正是因为测量精度受到制约因素较多，因此，其测量精度数值需要进一步提高。

频差法流量测量原理，主要是借助回波鸣环技术，能在被测量的流体中形成不同传播方向的鸣环频率，一般称为顺流鸣环频率和逆流鸣环频率。若是流体处于静止状态，则顺流鸣环频率=逆流鸣环频率，若是流体处于流动状态，则顺流鸣环频率和逆流鸣环频率之间的频率差就是判定流体方向和速度的基本依据。与此同时，为了能有效提升低流速状态下流量测量工作的精准性，要确保测量的频差数量基数较大，并且配合锁相倍频技术，将频差测量数值合理性扩大n倍，提升整体测量精度。基于此，频差法流量测量工作的应用范围较为广泛。

二、超声波热量表测量准确度的影响因素

追溯到上世纪九十年代末，我国开始大范围实现供暖体制改革方案，并且开始自行研发和生产热量表，初期还是依靠进口，而在2003年后，我国国产热量表的质量大幅度提升，相关技术指标也趋于应用稳定状态，但是，在实际测量过程中，其应用测量精度和测量可靠性还与国外发达国家有一定的差距，影响因素较多，要落实全面分析和评估机制，从而建构更加合理的控制措施。

（一）介质温度的影响

在超声波热量表测量过程中，温度对其产生影响主要体现在两个方面，一方面，介质温度参数的动态变化会造成换能器关键技术参数出现异常，这就会对正常的测量过程形成不同程度的作用，尤其是介质温度达到超声波换能器用压电陶瓷安全使用温度的50%时，就会出现物理性损伤[2]。另一方面，介质温度的变化会影响声速的，使得仪表测量的准确性受到影响。值得一提的是，声波的传播是扰动形态和能量传递的总和，声波在弹性介质中的传播速度被称为声速，和介质的性能以及形状无关，也正是因为液体没有剪切弹性，所以液体一般是传播纵波，而在进行声波和温度关系比较的过程中可知，声速会随着温度呈现出单调上升的趋势。本文以U型DN20热量表为研究对象，DN20声程为0.072m，温度点1为30℃、对应声速为1509.17m/s;温度点2为60℃、对应声速为1550.99m/s。整体恒定流量为2m3/h，对应流速为1.768m/s[3]。

1.理论分析温度变化引发的测量准确度偏差

假设在第一温度点为30℃，顺流时间T1=DN20声程/（声速-流速）、逆流时间T2=DN20声程/（声速+流速），得出顺流时间为47.7643s、逆流时间为47.6525s，两者时间差为111.8ns。

假设在第二温度点为6℃，顺流时间T1=DN20声程/（声速-流速）、逆流时间T2=DN20声程/（声速+流速），得出顺流时间为46.4749s、逆流时间为46.3691s，两者时间差为105.8ns。

可知温度变化造成的测量准确度偏差为-5.37%。综上所述，在流量数值相同的状态下，介质的温度出现相应的变化，则测量时间差也会随之改变，若是操作人员不能结合实际情况及时进行温度的补偿处理，必然会对仪表测量的准确度产生严重的影响。所以，要结合流量和温度的参数关系落实相应的补偿机制，依据声速数值等参数确保流量测量准确性。

（二）速度分布产生的影响

对于超声波热量表测量工作而言，其直接检测到的相关数值是超声波传播路径上的线平均速度，而其配置的热量测量设备测定的却是整个管道断面结构的面平均速度，要想有效获取相关数值，就要实现两者的合理性换算[4]。流体在经过管道后，因为固体的壁面本身并没有设置滑移条件，所以，此时设定的紧贴壁面的流体速度参数为零，管道中间位置的流体基本不会受到影响，呈現出的流速参数最大，也就形成了对应的大速度梯度。而在差异化雷诺数值参数内，断面上的流速也会呈现出不同的分布状态。一般而言，雷诺数值较低的层流状态，流速会呈现出抛物面的结构，结合流体力学原理的相关数值标准能得出，层流最大的流速参数一般是平均流速的2倍左右，借助平均速度就能测定相关数值，也就是说，层流状态下，测量数值是面平均数值的4/3。

首先，流速增大状态下，水流流体处于湍流状态，断面的流速分布情况会和雷诺数变化形成呼应关系，流速大小的数值也会趋于平均数，常温状态下能实现修正。

其次，若是被测量的流体本社处于层流状态和湍流状态之间的过渡态，流动状态就会不稳定，依据超声波热量表分析，对口径供热管道进行管理，误差来自于中心线上限流动不对称等方面。

最后，相关计量分析都是在理想安装状态下进行系数k的修正，而若是在非理想状态下，弯管、水泵、变管径结构附近基表内的流动参数就会更加复杂，无法单一化依靠流量系数k完成修正计算。尤其是在含有杂质的水流处理方面，流速的不均匀性特征更加突出，也就会产生较大的误差问题[5]。

（三）流动扰动产生的影响

为了保证超声波热量表测量工作准确性得以优化，也要对实际设备的管理工作予以关注，管道内的弯门、阀门、变管径等部件也会对流体的流态产生一定的扰动作用，一般而言，都是依照旋涡、不对称流等方式描述扰动后流体的基础流态，分析对超声波热量表流量计量工作产生的影响。

在测量过程中要确保管前和管后加装固定长度的直管段，从而有效消除对应的影响作用，匹配多声道超声波流量计实现声道数量的优化和声道布置的升级，一定程度上减少弱流体扰动对后续测量工作产生的影响。一方面，弯管距离超声波热量表较近状态下，若是不能满足表前和表后直管段长度的标准要求，弯管会对后续的直管段以及热量表内的流动造成相应的影响。最关键的是，弯道内侧速度升高，使得外侧的速度相对降低，就会在截面位置出现二次流动状态，此时，会形成强旋涡（图1）。另一方面，流体进入到直管段内，管道自然就会在内侧位置形成低流速处理区域，然后形成自内向外流速逐渐增大的趋势。若是直管段长度不足，弯管也会使得流体速度在改变后不能及时恢复，此时，必然会对流量系数k产生影响，造成超声波热量表测量的误差问题。

（四）检测延时造成的影响

在超声波热量表测量工序中，换能器信号检测会造成一定程度上的延时问题，也会对准确度产生影响，使得检测结果出现误差。究其原因，主要是换能器拖尾问题、阈值电压设置不合理问题、噪声干扰问题等。

主要是因为超声波换能器若是在工作状态下受到电脉冲激励作用，此时设备就会出现机械振动问题，若是激励电脉冲停止，则晶体还不能发生恢复到静止状态，会存在振动逐渐放缓的趋势，一般是在震荡衰减后静止，此时，就是换能器拖尾问题，其本身和换能器自身发射功率以及传输超声波信号介质相关联，较为常见的拖尾时间在1ms到2.5ms之间。正是因为接收换能器无法及时对拖尾信号和接收信号予以分析处理，甚至会在工况状态下将拖尾信号误认定为回波信号，使得误差问题较为严重，制约超声波热量表测量工作的准确性处理效果。

另外，超声波远距离传播过程中，拖尾的影响并不是较大，所以一般会忽略不计，而若是在较短距离内，接收信号就会受到干扰作用，此时必然会对测量结果的准确度产生影响。所以，在处理拖尾问题方面，一般会选取高精度时间测量芯片，有效提升对应工作的合理性和规范性，维持综合应用管理的效果。并且优化相关控制软件和硬件，或者是选择“盲区”较短的超声波换能器，以保证能减少拖尾问题产生的影响。

除此之外，压电转换惯性迟滞也是较为常见的问题，在换能器检测到对应接收信号参数后，结合压电效应就能将脉冲信号直接转变为电信号，而对应的压电换能器具有其固有属性，必然会造成压电转换迟滞的现象，制约整体超声波热量表测量结果的准确性。

（五）杂质产生的影响

对我国采暖工作进行全面调研分析后可知，采暖水质的洁净度一般都不高，杂质较多，这就会对超声波信号的强度参数以及传输质量产生影响，甚至杂质严重的环境下会出现信号中断等问题。与此同时，杂质的残留会造成供热热水正常流动受限，使得热量表出现压力不匹配的问题，压力损失也会对测量精度