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1 前言
目前，工業領域面臨著能源過度的問題，節能減排已成為大型生產企業急需解決的課題。流量計作為生產線的重要計量器具，不僅是直接反映生產能耗的基礎設備，也是控制能耗的首要環節。由于生產計劃，許多企業的流量計無法被卸下而需要在線校準。超聲波流量計作為一種精度高、非接觸式、易攜帶安裝的計量器具，廣泛被應用于流量計的在線校準。因此，本文介紹如何應用超聲波流量計在線校準浮子流量計并對其過程進行測量不確定度的評定。
2 超聲波流量計工作原理
超聲波在流體中的傳播速度與流體的流速有關。沿流體的順流方向，超聲波的傳播速度增大；逆流方向的傳播速度減小。同一超聲波沿流體不同流向產生了時間差，該差值與流體的流速存在一定的關系。假設直段管道內有2個超聲波傳感器，傳感器1位于流體上游，傳感器2位于流體下游，則傳感器之間存在如下關系：
 （1）
（2）
式中：L—兩個超聲波傳感器之間的直線距離；
T12—沿流體逆向，超聲波從傳感器1傳播至傳感器2所用的時間；
T21—沿流體順向，超聲波從傳感器2傳播至傳感器1所用的時間；
C—超聲波在靜止流體中的傳播速度；
x—L在管道中沿管道軸向的分量。
根據上式可知：當傳感器的位置和管道幾何參數為已知量，則流體的流速正比于時間項。
3 浮子流量計在線測量
3.1 校準環境與安裝條件
超聲波流量計是根據超聲波在管道內傳播時間差反映流體流速的，所以被測段的流體狀態對測量結果影響很大。測量時，應避免被測段的流體處于湍流狀態。一般應注意以下幾點：
（1）計量現場應無明顯振動，周圍無電磁干擾。
（2）探測器安裝位置的上游直管段長度至少為管徑的10倍以上，下游的直管段長度至少為管徑的5倍以上；上游30倍管徑的沿程內應沒有擾流因素，比如泵、閥引起的流速分布不均勻。
（3）管道始終充滿流體，流體內不能含有大量的氣泡或異物。
（4）對于水瓶管道，為了避免滯留空氣或沉積物影響測量結果，在水平面的±45°內安裝探測器。避免將探測器安裝在管道變形、凸起或焊接部分。
（5）如管道表面有涂層、腐蝕班或是不平整，用油漆稀釋劑和砂紙清除。
（6）查看被檢的浮子流量計是否有泄漏、振動的情況，刻度是否清晰，便于觀察。
（7）對于1.0和1.5級的浮子流量計，安裝傾斜角度不應超過2°；2.5級及以下的浮子流量計不應超過5°。
3.2 探測法的選擇
根據探測器的分布位置，探測法分為V法和Z法。V法：兩探測器均處于管道外同側，探測器之間連線與管道軸線平行。Z法：兩探測器處于管道外兩側，兩探測器之間連線與管道軸線交叉。在下列情況下使用Z法：
（1）需要節省安裝空間（Z法的安裝空間約為V法的一半）。
（2）需要測量污水等渾濁的流體。
（3）管道內有砂漿襯里或是較厚水垢。
3.3 測量步驟
（1）確認管道的內、外徑；對于非標準的管道，用游標卡尺和測厚儀等工具測量管道的外徑與壁厚。
（2）在儀表中輸入相關參數：管道內、外徑；管道材料；流體介質；探測法類型等。
（3）待儀表調零后確定探測器安裝距離。
（4）在探測器表面涂上適量硅脂，根據“安裝條件”安裝探測器，查看超聲波信號接受是否正常。
（5）待被檢流量計與超聲波流量計讀數穩定后，讀取兩儀表的流量值，計算示值誤差。
3.4 注意事項
（1）當超聲波流量計信號異常或是無信號時，查看管道表面是否有涂層、探測器是否緊貼管道表面。在排除上述問題但仍信號異常的情況下，查看現場周圍是否有電磁干擾，比如：大功率水泵、變頻器、變壓器等。
（2）當測量值與被檢示值存在明顯偏差時，查看探測器安裝位置是否合理。在滿足安裝條件的情況下，盡可能對安裝位置做調整：同一條管道布置有高低時，探測器安裝在較低的管路上；探測器盡量不要靠近管路的終端；盡量選擇流體向上流動的管路安裝探測器；管路內結垢嚴重，更換管路。
（3）當測量值存在明顯波動時，適當設置阻尼參數，延長響應時間。
（4）當流量發生變化但測量值保持不變時，檢查管道規格是否正確；探測器是否安裝在焊接部分；探測器安裝尺寸是否正確；探測器表面是否涂有足夠的潤滑脂；嘗試更換探測法類型；避免使用加長電纜。
4 不確定度評定實例
本文利用超聲波流量計在線校準浮子流量計，流量范圍：（16～160）L/min，流體介質為水。
4.1 測量模型
利用超聲波流量計在線計量浮子流量計，相當于采用標準表法進行計量。標準流量計和被檢流量計串聯在現有的流量管道上，刻度狀態相同，流量無需經過修正。示值誤差根據下式：
（3）
式中：qm—被檢浮子流量計的流量顯示值，L/min；
qv—標準超聲波流量計的流量實際值，L/min；
qmax—被校流量計的上限刻度值，L/min。
標準不確定度：
 
靈敏系數：c1=1/qmax；c2=-1/qmax
4.2 不確定度的來源：
（1）輸入量qm的不確定度
測量的重復性引入的不確定度：u（qm）
浮子流量計在80L/min時，對被檢流量計測量10次，結果如表1。
表1
 
測量平均值 ，標準方差S=0.13L/min，u（qm）= 。
（2）輸入量qv的不確定度：
①測量重復性或儀表分辨力引入的不確定度：u1（qv）
超聲波流量計在80L/min時，對被檢流量計測量10次，結果如表2。
表2
 
測量平均值 ，標準方差S=0.022L/min，u1（qv）=
超聲波流量計分辨力引入的不確定度：
儀表的分辨力為0.001L/min；按均勻分布計算k= ，則u1（qv）=0.00058L/min
在兩者中去較大者，0.007L/min＞0.00058L/min，則u1（qv）=0.007L/min
②超聲波流量計示值誤差引入的不確定度：
示值誤差為流量讀數的0.26%，按均勻分布計算k=
則u1（qv）=83.007×0.26/ =0.125L/min
 
由以上數據合成標準不確定度為：
 ，其擴展不確定度為：U=k×uc=0.2%（k=2）
5 結果分析
由以上不確定度的結果可以得出：測量不確定度的來源主要是超聲波流量計的示值誤差，其次是浮子流量計的測量重復性，最小的是超聲波流量計的測量重復性。
雖然不確定度的來源主要是標準器的精度，但是測量前期的準備工作，包括：現場環境與校準條件的確認，探測器安裝位置與探測法的選擇等。這些因素也很大程度影響了測量結果。

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