超聲波流量計(jì)，是一種利用超聲波脈沖來(lái)測(cè)量流體流量的速度式流量?jī)x表，具有非接觸、測(cè)量范圍寬、攜帶安裝方便、對(duì)管徑的適應(yīng)性強(qiáng)、使用方便、易于數(shù)字化等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于氣體和流體的流速、流量的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，本文主要介紹目前*為常用的超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)原理，并對(duì)其測(cè)量誤差的測(cè)量不確定度進(jìn)行分析評(píng)定，以及提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度的方法。

一、超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理

超聲波流量計(jì)其工作原理如圖１所示。２個(gè)超聲超聲波探頭，順流換能器Ａ用于發(fā)射超聲波脈沖信號(hào)和逆流換能器Ｂ用于接受超聲波脈沖信號(hào)，其安裝方式為外夾Ｚ法，２只換能器分別安裝在流體管線的兩側(cè)并相距一定距離，管線的內(nèi)直徑為ｄ，超聲波順流速度為Ｖ，超聲波的傳播方向與流體的流動(dòng)方向加角為θ。

二、測(cè)量不確定度分析

由公式（３）流體流量，由管道內(nèi)直徑ｄ、被測(cè)流體中的理論聲速Ｃ、聲波折射角正切ｔａｎθ、流體順逆流流過(guò)換能器ＡＢ時(shí)間差Δｔ、等４部分組成，其測(cè)量不確定度分析如下。

１、管道內(nèi)直徑ｄ測(cè)量重復(fù)性引入不確定度ｕｒｅｌ（ｄ）的評(píng)定

根據(jù)**標(biāo)準(zhǔn)，管道公稱(chēng)直徑Ｄ和管道厚度ｓ只是近似的一個(gè)名義尺寸，每次必須測(cè)量管道外徑Ｄ和管道厚度ｓ，因此，此項(xiàng)不確定度有２項(xiàng)分量，即被測(cè)對(duì)象測(cè)量重復(fù)性引入和現(xiàn)場(chǎng)使用的計(jì)量器具的測(cè)量不確定度引入，據(jù)我院現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，管道內(nèi)直徑ｄ測(cè)量不確定度一般為Ｕｒｅｌ（ｄ）＝０．５％（ｋ＝２）；所以，管道內(nèi)直徑ｄ測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

ｕｒｅｌ（ｄ）＝Ｕｒｅｌ（ｄ）／ｋ＝０．５％／２＝０．２５％

２、測(cè)流體聲速Ｃ引入不確定度ｕｒｅｌ（Ｃ）的評(píng)定

通過(guò)技術(shù)資料，此項(xiàng)不確定度按Ｂ類(lèi)評(píng)定，被測(cè)流體中的聲速測(cè)量不確定度，通過(guò)技術(shù)資料為

Ｕｒｅｌ（Ｃ）＝０．６％（ｋ＝２），可直接引用：

ｕｒｅｌ（Ｃ）＝Ｕｒｅｌ（Ｃ）／ｋ＝０．６％／２＝０．３％

３、換能器Ａ和Ｂ之間的距離ｌ測(cè)量重復(fù)性引入

不確定度ｕｒｅｌ（ｌ）的評(píng)定順流換能器Ａ和逆流換能器Ｂ之間的距離ｌ的測(cè)量不確定度有２項(xiàng)分量，即被測(cè)對(duì)象測(cè)量重復(fù)性引入和現(xiàn)場(chǎng)使用的計(jì)量器具的測(cè)量不確定度引入，據(jù)我院現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，換能器Ａ和Ｂ之間的距離ｌ測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度一般為

Ｕｒｅｌ（ｌ）＝０．６％（ｋ＝２）：

ｕｒｅｌ（ｌ）＝ｓ／ｋ＝０．５％／２＝０．２５％

４、流體順逆流流過(guò)換能器ＡＢ時(shí)間差Δｔ測(cè)引入

不確定度ｕ（Δｔ）的評(píng)定超聲波流量計(jì)流體順逆流流過(guò)換能器ＡＢ時(shí)間差Δｔ的測(cè)量，他由順流換能器Ａ發(fā)射脈沖到Ｂ時(shí)間為ｔ１，逆流從Ｂ發(fā)射脈沖到Ａ的時(shí)間為ｔ２，在相減得到（見(jiàn)圖１）。由公式（１）得，它的不確定度分量主要還是由由順流換能器Ａ和逆流換能器Ｂ之間的距離ｌ、管道內(nèi)直徑ｄ、被測(cè)流體中的聲速Ｃ決定，時(shí)間、頻率的測(cè)量準(zhǔn)確度在所有測(cè)量專(zhuān)業(yè)中是*高，由超聲波流量計(jì)脈沖計(jì)時(shí)測(cè)量產(chǎn)生的誤差可忽略，距離ｌ、管道內(nèi)直徑ｄ、被測(cè)流體中的聲速Ｃ，以記入其他不確定度分量，因此流體順逆流流過(guò)換能器ＡＢ時(shí)間差Δｔ測(cè)引入不確定度ｕ（Δｔ）可忽略不計(jì)。

三、超聲波流量計(jì)提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度的方法

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，*先是進(jìn)行綜合分析各種因素，這些因素對(duì)*終的測(cè)量結(jié)果都有著一定的影響，具體如下。

１、聲速Ｃ不確定度的影響以及提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度的經(jīng)驗(yàn)方法

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量開(kāi)始前，應(yīng)要求被測(cè)方提供被測(cè)管道中的的工作介質(zhì)，如果介質(zhì)是氣體，應(yīng)提供具體氣體成分、工作溫度、工作壓力等、超聲波聲速的可通過(guò)以上資料查相應(yīng)**標(biāo)準(zhǔn)可得到，此。時(shí)測(cè)超聲波流量計(jì)工作介質(zhì)聲速Ｃ的影響對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較少。如果介質(zhì)是液體，應(yīng)提供具體液體名稱(chēng)、工作壓力、工作溫度、工作壓力、液體中是否有懸浮顆粒等參數(shù)；此時(shí)聲速的設(shè)置要考慮到溫度的影響。水溶液的聲速大于水的聲速，并且大部分流體溫度越高聲速越快，當(dāng)流體中顆粒較多（但在測(cè)量要求范圍內(nèi)）時(shí)有以下兩種情況應(yīng)對(duì)方法：①均勻分布的顆粒，這種情況信號(hào)較穩(wěn)定，通過(guò)測(cè)量很難發(fā)現(xiàn)，需要被測(cè)方提供顆粒出現(xiàn)的原因及顆粒種類(lèi)，已知顆粒種類(lèi)情況下可適當(dāng)調(diào)整流體的聲速，比對(duì)信號(hào)質(zhì)量得出更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。②不均勻顆粒，信號(hào)強(qiáng)度的跳動(dòng)會(huì)比較嚴(yán)重，此時(shí)*好的方法就是長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，在信號(hào)質(zhì)量較好的幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)上讀數(shù)取平均值。

２、換能器Ａ和Ｂ之間的距離ｌ和管道內(nèi)直徑ｄ

測(cè)量重復(fù)性的影響以及提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度的方法在測(cè)量管路的選擇上，應(yīng)選擇遠(yuǎn)離泵站閥門(mén)且管道平直，工作介質(zhì)流速穩(wěn)定的地方；如果管路中的介質(zhì)是液體，還要選擇一般不容易出現(xiàn)下部會(huì)沉積，上部容易留有空氣的管段。在測(cè)量開(kāi)始時(shí)應(yīng)先垂直安裝探頭測(cè)量，然后再水平安裝探頭測(cè)量，如果在其他參數(shù)不變的情況下，２次測(cè)量的差值在超聲波流量計(jì)*大允許誤差的情況下，再在詳細(xì)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行下一步測(cè)量，否則因重新選擇管道進(jìn)行測(cè)量（因?yàn)閮纱螠y(cè)量的差值超過(guò)超聲波流量計(jì)允許誤差的情況下，說(shuō)明管段未充滿工作介質(zhì)）。

在詳細(xì)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行下一步測(cè)量時(shí)，此時(shí)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響主要來(lái)自換能器Ａ和Ｂ之間的距離ｌ和管道內(nèi)直徑ｄ測(cè)量；距離ｌ的測(cè)量一般根據(jù)ｌ的距離選擇鋼直尺，或游標(biāo)卡尺即可，管道內(nèi)直徑ｄ測(cè)量，當(dāng)管道外直徑較小時(shí)直接用游標(biāo)卡尺測(cè)量即可。當(dāng)管道外直徑較大時(shí)，*好選用精密鋼直尺測(cè)量周長(zhǎng)再計(jì)算直徑；當(dāng)測(cè)量?jī)?nèi)部沉積、污垢比較嚴(yán)重的管路時(shí)，可以適當(dāng)?shù)膶⒐鼙趨?shù)ｓ調(diào)大，將管壁的聲速適當(dāng)調(diào)小。當(dāng)測(cè)量?jī)?nèi)部腐蝕比較嚴(yán)重的管路，可以適當(dāng)?shù)膶⒐鼙趨?shù)ｓ調(diào)小，但管壁的聲速不變。

從時(shí)差法法超聲波流量計(jì)原理出發(fā)，對(duì)超聲波流量計(jì)誤差的測(cè)量不確定度進(jìn)行了分析評(píng)定，根據(jù)我院從事超聲波流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)使用的多年檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)積累，提出了幾點(diǎn)提高超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度的經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行了說(shuō)明，希望能對(duì)從事超聲波流量使用的同仁們有所啟迪和幫助。