工业锅炉能效测试中超声波流量计的误差分析

        工控摘要：超声波在流体中传播时其传播速度要受到流体流速的影响，通过测量超声波在流体中传播速度可以检测出流体的流速而换算出流量。

1、时差法超声波流量计的原理及特点

超声波在流体中传播时其传播速度要受到流体流速的影响，通过测量超声波在流体中传播速度可以检测出流体的流速而换算出流量。传感器常见的有Z法、V法、W法三种安装方式，如图1所示。

图1超声波流量计传感器的安装示意图
 

1.1时差法超声流量原理

时差法超声波流量计在安装中，传感器按Z法安装时超声波信号强度高，测量的稳定性较好，应用较普遍，本文以Z法安装为例进行说明。

时差法超声流量计是在被测流体内，由超声波发射器和接收器分时在顺流方向和逆流方向发射超声波脉冲，顺流方向超声波的传播速度会增大、逆流方向会减小。通过测量顺流与逆流的时间差，再利用传播速度之差与被测流体流速之间的关系求出流速，进而得出流量 ，原理如图2所示：

图2时差法超声波流量计原理示意图图

1.2时差法超声波流量计的计算推导

根据流体运动学及声学原理，超声波流量计的测量式为：

式中：

Q-液体流量；

θ-超声波传播方向与液体流向的夹角；

△t=t1-t2超声波顺流传播时间

t1-沿顺流方向发射超声波脉冲的传播时间；

t2-沿逆流方向发射超声波脉冲的传播时间。

由公式可以得出：管道流体的流速与超声波顺流逆流的时间差△成正比，测量出时间差△t就可求出流体速度，根据流体速度和管道截面积便可得到液体流量。

2超声波流量计的测量误差成因及改进措施

时差式超声波流量计的测量精度受到以下几个方面因素影响。

2.1管道内部因素引起的误差

1）液体密度的影响。工业锅炉能效测试中，对固体燃料锅炉的测试时间zui低要求是两个工况，共8h。液体温度随环境温度而变化，密度也随之变化。时差法超声波流量计在测量之前，要人为设定被测液体的密度值。这就形成被测液体密度的真实值和设定值之间存在一定的差距，显示值和真实值之间也由此产生测量误差 。因此在工业锅炉测试过程中，应采用管道保温、储水罐保温等措施，减少测试过程中给水的温差。

2）折射和散射的影响。超声波流量计的测量是

利用声学中的反射原理，但受管道材质、内表面粗糙情况的影响，超声波在管道壁面处会形成折射和散射，超声波信号受到干扰。因此进行能效测试的锅炉在安装过程中，应选用内壁光滑、无弯曲、无变形的钢管做给水管， 以减少超声波在管内折射和散射的来源。

3）流体速度的影响。时差法超声波流量计的理论计算公式是设定管道内的流速均匀分布，而管道内流体的流速分布不均匀，包含湍流与层流，因此会引起相应的测量误差。在工业锅炉能效测试中，应选用能稳定给水的泵， 同时应保持锅炉压力稳定，以避免压力的波动带来管道内水流的变化。

2．2管道外部因素引起的误差

1）直管段的影响。由于传感器测定的是流体线速度，流体流速均匀时测量精度较高， 因此在工业锅炉能效测试过程中，应保证超声波流量计入口前和出口后有足够的直管段，要求上游直管段长度不小于1O倍管径，下游不小于5倍管径。如受锅炉房条件限制，无法满足上述要求，则可以采用高压金属软管或者重新焊接旁通管路等方式，保证直管段长度，降低测量误差。

2）管道震动的影响。锅炉的给水泵、控制阀门、管道弯头、上煤系统、出渣系统等引起的震动会对超声波流量计的测量精度产生影响，进而引起误差。在能效测试过程中，多次发生因管道震动而使超声波流量计误差增大甚至产生虚假显示的情况。因此在安装超声波流量计时首先应远离噪声来源地，其次可选用震动较小的泵来减小管道震动，另外也可在超声波流量计前直管段与给水泵之间、后直管段与锅炉之间采用高压金属软管连接，如图3所示。

图3高压金属软管连接示意图

3）传感器的安装质量影响。管道中的气泡会反射或衰减超声波信号，给测量带来误差。气泡一般存在于管道的上方， 因此传感器一般采用与水平面成45。角位置安装，使管道内充满流体，降低气泡对超声波信号的影响。

4）信号强度的影响。在安装超声波流量计的传感器时，要打磨管道表面，均匀涂抹耦合剂，传感器表面和管道表面要紧密贴合，使超声波流量计具有较高的信号强度，减少测量误差。

经过多次现场实验，并与其他类型流量计进行对比后发现，超声波流量计受安装条件影响较大，多次出现虽然达到了允许测量的信号强度，但测试数据与真实数据却不符的情况，这将严重影响锅炉的计算热效率。因此在使用过程中，在严格按照要求安装传感器的同时，还应采用其他测量方式进行同步对比分析，以确保测量结果的准确性和严密性。

3结论

根据目前的技术水平，超声波流量计的优点和不足并存。在工业锅炉能效测试中，较大的误差会给测试机构和现场测试人员提供虚假信息，使其无法判断锅炉是否处于稳定状态、是否满足能效测试要求，严重的甚至会造成锅炉缺水等安全事故，因此必须尽量降低误差，保证工业锅炉能效测试的顺利进行。