為解決液體物料計(jì)量的問題，我石化公司先后采用了孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、容積流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等進(jìn)行計(jì)量。這些技術(shù)的推廣應(yīng)用，解決了計(jì)量問題，同時(shí)也帶來了如何正確使用和維護(hù)、如何確保計(jì)量的長期準(zhǔn)確性的難題。我們開發(fā)利用超聲波流量計(jì)在線比對水流量的方法，解決了長期困擾的水計(jì)量問題，為更好地服務(wù)于生產(chǎn)和加強(qiáng)計(jì)量管理工作發(fā)揮了重要作用。

      1 流量計(jì)要準(zhǔn)確

      我公司近幾年來在物料和公用工程計(jì)量中，對水的計(jì)量問題的處理越來越多，水資源短缺、水價(jià)上漲，直接影響到產(chǎn)品成本。節(jié)約水就是降低成本。另外，除生產(chǎn)用水外，公司還負(fù)責(zé)生活區(qū)、廠區(qū)附近許多小企業(yè)的物料及水、電、氣等，水線的分布非常復(fù)雜，涉及面廣，計(jì)量管理難度大。雖然公司近幾年在主要裝置生產(chǎn)線上安裝了流量計(jì)，但由于企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)，其準(zhǔn)確性難于確認(rèn)。一些計(jì)量儀表在大修期間拆卸下來待檢定，因國內(nèi)目前只有少數(shù)幾個(gè)單位有國家的大流量檢定裝置，異地標(biāo)定困難大、費(fèi)用高、浪費(fèi)人力物力。

      2 使用超聲波流量計(jì)

      國家在1985年6月正式頒布了《中華人民共和國計(jì)量法》，涉及到企業(yè)強(qiáng)檢計(jì)量器需按檢定周期及時(shí)送到政府計(jì)量行政部門指定的法定技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定。

      國家技術(shù)于1995年5月1日頒布實(shí)施國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T19022.1-1994-ISO10012-1 《測量設(shè)備的質(zhì)量保證要求：測量設(shè)備的計(jì)量確認(rèn)體系》，內(nèi)容是：校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)器的選擇，可根據(jù)本單位的實(shí)際情況，參考有關(guān)檢定系統(tǒng)圖選取。在不能按檢定系統(tǒng)圖選取時(shí)，應(yīng)保證校準(zhǔn)設(shè)備（含有保準(zhǔn)）的合成不確定度不超過被確認(rèn)器具的允許誤差的1/3~1/5。沒有合適的標(biāo)準(zhǔn)器時(shí)，可采用比對的方法。如果比對的結(jié)果穩(wěn)定性、復(fù)現(xiàn)性均好，而系統(tǒng)誤差不大時(shí)，則比對的結(jié)果可作為確認(rèn)的依據(jù)。國家的這一規(guī)定，使無法檢定的測量設(shè)備可以采用校準(zhǔn)或比對的方法進(jìn)行確認(rèn)。而超聲波流量計(jì)在線使用中具有的優(yōu)點(diǎn)：它不接觸被測介質(zhì)，不干擾流場，在外側(cè)測量管內(nèi)流動(dòng)液體的流速，無壓力損失，使用安全方便快捷，是理想的在線測試設(shè)備。

      3 測量原理

      超聲波按測量原理分類有：傳播時(shí)間法、多普勒效應(yīng)法、波束偏移法、相關(guān)法和噪聲法等，我們用得最多的是傳播時(shí)間法和多普勒效應(yīng)法。這里我介紹一下傳播時(shí)間法，見圖1。

      聲波在流體中傳播，順流方向聲波傳播速度增大，逆流方向減小，同一傳播距離就有不同的傳播時(shí)間。利用傳播速度之差與被測流體流速有關(guān)求取流速，稱之傳播時(shí)間法。又按測量具體參數(shù)不同分為時(shí)差法、相位差法和頻差法。

      超聲波從換能器1到換能器2之間順逆流關(guān)系式為

      則流速

      式中，L ――超聲波在換能器之間傳播路徑的長度（m）；
               c ――超聲波在靜止流體中的傳播速度（m/s）。

      時(shí)差法與頻差法和相位差法之間原理方程式的基本關(guān)系為

      式中，△f――頻率差；
               △Φ――相位差；
               f₁₂，f₁₂――超聲波在流體中的順流和逆流的傳播頻率；
               f――產(chǎn)超聲波的頻率。

      從上式中可以看出，相位差法本質(zhì)上和時(shí)差法是相同的，而頻率與時(shí)間又是互為倒數(shù)關(guān)系，三種方法沒有本質(zhì)差別。

      如果知道了L、c 通過測量時(shí)間差即可求得流速v_mo超聲波流量計(jì)正是運(yùn)用這個(gè)原理經(jīng)過電子技術(shù)的處理后，成為一種被廣泛應(yīng)用的測試儀器。

      4 比對方法

      采用經(jīng)國家部門檢定合格的超聲波流量計(jì)作為比對設(shè)備，根據(jù)被測流量管徑的大小，采取大傳感器（300 mm < DN < 1000 mm）和小傳感器（80 mm < DN < 300 mm）兩種類型的傳感器進(jìn)行安裝。安裝方法有三種，分別為X、V、Z法。如圖2所示。在管道充滿的情況下，一般采用V法安裝。在工況條件惡劣或管道不全充滿時(shí)，可采取側(cè)位或Z法安裝。比對流量計(jì)應(yīng)安裝在被比對流量計(jì)的上游處，一般L≥10D即可。如圖3。

      5 比對數(shù)據(jù)的處理

      在現(xiàn)場安裝符合要求的前提下，同時(shí)起動(dòng)比對流量計(jì)和被比對流量計(jì)，選取管道流量范圍內(nèi)5個(gè)測量點(diǎn)，重復(fù)性測量選二個(gè)均勻分布的點(diǎn)，每個(gè)比對點(diǎn)測量6次，不記重復(fù)性的點(diǎn)測量3次，記錄比對流量計(jì)的流量值Q_sij的測量值和被比對流量計(jì)的讀數(shù)Q_ij。

      被比對流量計(jì)的基本誤差

      式中，Q_ij――第i比對點(diǎn)第j次的被比對流量計(jì)讀數(shù)值；
               Q_sij――第i比對點(diǎn)第j次比對流量計(jì)讀數(shù)值。

      流量計(jì)重復(fù)性E_r的計(jì)算：

      第i檢定點(diǎn)基本誤差

      流量計(jì)基本誤差E 的計(jì)算：

      E=（E_i）_max

      被比對流量計(jì)系數(shù)值由下式計(jì)算

      流量計(jì)重復(fù)性E_r，第i檢定點(diǎn)的重復(fù)性E_ri 按下式計(jì)算

      （E_ri）_max是檢定點(diǎn)中一個(gè)重復(fù)性。E_r 應(yīng)符合表1的要求。

      被比對流量計(jì)修正斜率K₀值由下式計(jì)算

      根據(jù)K₀值的大小，調(diào)整被比對流量計(jì)的系數(shù)值，使其正常運(yùn)行。

      6 結(jié)語

      通過應(yīng)用比對方法進(jìn)行在線水的監(jiān)測，使公司在處理水計(jì)量差量時(shí)有章可循、有據(jù)可依，避免了亂攤派現(xiàn)象的發(fā)生，增強(qiáng)了員工的節(jié)水意識。公司用于計(jì)量水的各種類型流量計(jì)100余臺，每臺被比對表校驗(yàn)費(fèi)按平均1500元計(jì)算，每年可節(jié)省校驗(yàn)費(fèi)15余萬元。