超聲波流量計，是一種利用超聲波脈沖來測量流體流量的速度式流量儀表，具有非接觸、測量范圍寬、攜帶安裝方便、對管徑的適應(yīng)性強、使用方便、易于數(shù)字化等特點，被廣泛應(yīng)用于氣體和流體的流速、流量的現(xiàn)場檢測，本文主要介紹目前*為常用的超聲波流量計的設(shè)計原理，并對其測量誤差的測量不確定度進行分析評定，以及提高現(xiàn)場測量精度的方法。

一、超聲波流量計的測量原理

超聲波流量計其工作原理如圖１所示。２個超聲超聲波探頭，順流換能器Ａ用于發(fā)射超聲波脈沖信號和逆流換能器Ｂ用于接受超聲波脈沖信號，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方向加角為θ。

二、測量不確定度分析

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

１、管道內(nèi)直徑ｄ測量重復(fù)性引入不確定度ｕｒｅｌ（ｄ）的評定

根據(jù)**標(biāo)準(zhǔn)，管道公稱直徑Ｄ和管道厚度ｓ只是近似的一個名義尺寸，每次必須測量管道外徑Ｄ和管道厚度ｓ，因此，此項不確定度有２項分量，即被測對象測量重復(fù)性引入和現(xiàn)場使用的計量器具的測量不確定度引入，據(jù)我院現(xiàn)場實際測量經(jīng)驗，管道內(nèi)直徑ｄ測量不確定度一般為Ｕｒｅｌ（ｄ）＝０．５％（ｋ＝２）；所以，管道內(nèi)直徑ｄ測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

ｕｒｅｌ（ｄ）＝Ｕｒｅｌ（ｄ）／ｋ＝０．５％／２＝０．２５％

２、測流體聲速Ｃ引入不確定度ｕｒｅｌ（Ｃ）的評定

通過技術(shù)資料，此項不確定度按Ｂ類評定，被測流體中的聲速測量不確定度，通過技術(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測量重復(fù)性引入

不確定度ｕｒｅｌ（ｌ）的評定順流換能器Ａ和逆流換能器Ｂ之間的距離ｌ的測量不確定度有２項分量，即被測對象測量重復(fù)性引入和現(xiàn)場使用的計量器具的測量不確定度引入，據(jù)我院現(xiàn)場實際測量經(jīng)驗，換能器Ａ和Ｂ之間的距離ｌ測量重復(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、流體順逆流流過換能器ＡＢ時間差Δｔ測引入

不確定度ｕ（Δｔ）的評定超聲波流量計流體順逆流流過換能器ＡＢ時間差Δｔ的測量，他由順流換能器Ａ發(fā)射脈沖到Ｂ時間為ｔ１，逆流從Ｂ發(fā)射脈沖到Ａ的時間為ｔ２，在相減得到（見圖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、被測流體中的聲速Ｃ決定，時間、頻率的測量準(zhǔn)確度在所有測量專業(yè)中是*高，由超聲波流量計脈沖計時測量產(chǎn)生的誤差可忽略，距離ｌ、管道內(nèi)直徑ｄ、被測流體中的聲速Ｃ，以記入其他不確定度分量，因此流體順逆流流過換能器ＡＢ時間差Δｔ測引入不確定度ｕ（Δｔ）可忽略不計。

三、超聲波流量計提高現(xiàn)場測量精度的方法

在現(xiàn)場測量中，*先是進行綜合分析各種因素，這些因素對*終的測量結(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)場測量精度的經(jīng)驗方法

在現(xiàn)場測量開始前，應(yīng)要求被測方提供被測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以上資料查相應(yīng)**標(biāo)準(zhǔn)可得到，此。時測超聲波流量計工作介質(zhì)聲速Ｃ的影響對測量結(jié)果影響較少。如果介質(zhì)是液體，應(yīng)提供具體液體名稱、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（但在測量要求范圍內(nèi)）時有以下兩種情況應(yīng)對方法：①均勻分布的顆粒，這種情況信號較穩(wěn)定，通過測量很難發(fā)現(xiàn)，需要被測方提供顆粒出現(xiàn)的原因及顆粒種類，已知顆粒種類情況下可適當(dāng)調(diào)整流體的聲速，比對信號質(zhì)量得出更準(zhǔn)確的測量結(jié)果。②不均勻顆粒，信號強度的跳動會比較嚴(yán)重，此時*好的方法就是長時間測量，在信號質(zhì)量較好的幾個時間點上讀數(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

測量重復(fù)性的影響以及提高現(xiàn)場測量精度的方法在測量管路的選擇上，應(yīng)選擇遠(yuǎn)離泵站閥門且管道平直，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)下部會沉積，上部容易留有空氣的管段。在測量開始時應(yīng)先垂直安裝探頭測量，然后再水平安裝探頭測量，如果在其他參數(shù)不變的情況下，２次測量的差值在超聲波流量計*大允許誤差的情況下，再在詳細(xì)設(shè)置參數(shù)進行下一步測量，否則因重新選擇管道進行測量（因為兩次測量的差值超過超聲波流量計允許誤差的情況下，說明管段未充滿工作介質(zhì)）。

在詳細(xì)設(shè)置參數(shù)進行下一步測量時，此時對測量準(zhǔn)確性的影響主要來自換能器Ａ和Ｂ之間的距離ｌ和管道內(nèi)直徑ｄ測量；距離ｌ的測量一般根據(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測量，當(dāng)管道外直徑較小時直接用游標(biāo)卡尺測量即可。當(dāng)管道外直徑較大時，*好選用精密鋼直尺測量周長再計算直徑；當(dāng)測量內(nèi)部沉積、污垢比較嚴(yán)重的管路時，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)測量內(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。

從時差法法超聲波流量計原理出發(fā)，對超聲波流量計誤差的測量不確定度進行了分析評定，根據(jù)我院從事超聲波流量計的現(xiàn)場使用的多年檢測經(jīng)驗積累，提出了幾點提高超聲波流量計現(xiàn)場測量精度的經(jīng)驗并進行了說明，希望能對從事超聲波流量使用的同仁們有所啟迪和幫助。