国产高精度超声波流量计现状与应用分析

中图分类号：文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017） 00-0000-00

Abstract： The article describes the principle of multi-channel ultrasonic flowmeter， analyzes and selects the type according to the environmental characteristics of the South-to-North Water Transfer Middle Line Project， compares the difference between traditional flowmeter and ultrasonic flowmeter， classifies the flowmeter according to the existing standards， and clarifies the classification standard of the accuracy of the Leida water level meter， which provides an evaluation scheme and reference for the subsequent selection， At the same time， the domestic four-channel ultrasonic flowmeter was tested and the data were analyzed by linear regression.

Key words： transducer; Ultrasonic flowmeter; Multi-channel; linear regression

根据水利部总体部署，南水北调中线工程实施大流量输水工作。流量监控是供水环节中极其重要的一部分，流量值是输水量重要衡量依据和安全系统中的重要影响因素。一旦流量监测出现偏差，极可能危及工程安全和供水保障。基于此对输水期间，进行流量测验以保证水质安全，流量安全。目前流量计分为多种流量计，分为孔板式、涡街式、涡轮式、电磁式等传统流量计[1]。但其存在易受环境和电磁干扰，不易更换等缺点[2]。

针对此本文采用超声波方式流量测量方式进行分析，其有多种安装方式，尤其外插式和外贴式已经广泛应用于明渠、管道测量，本文对从超声波的原理和安装方式、以及性能等方面进行分析，使用多声道高精度流量计进行测量并对数据进行分析。

1 超声波流量计原理及使用环境

1.1 流量计原理分类及性能优缺点

按照目前分类法，分为容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计等[3]，查阅资料对其进行优缺点对比。

根据南水北调中线相关要求，此流量计需要具备容易更换，适用于多种管径，不影响供水效率的前提下，选用超声波流量计在保证精度的同时又安装、拆卸简洁，可实现不断流带压施工和在线维护。

1.2 超声波流量计分类

超声流量计 [5] 是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的影响测量流量的仪表 [6]。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法（直接时差法、时差法、相位差法和频差法）、波束偏移法[7]、多普勒法、互相关法、空间滤法[8] 及噪声法等[9]。

综合考虑南水北调中线不断流带压施工和在线维护、高精度、稳定等环境条件，使用超声波流量计采用时差法。

1.3 超声波流量计工作原理及声道配置

超声波流量计采用的方法是差速时间法，即利用超声能换器发出声波，在流动液体中传播，通过顺流与逆流传播时间差从而得出流速，通过流速与面积乘积得到流量。目前分为内插式、外插式、内贴式、外贴式等方法 [10]。其原理如图1 所示。

换能器A

计算瞬时流量的算法中避免波速c 对测量的影响，瞬时流量的计算只与时间的测量有关，故对时基的要求非常高。此算法为目前测量算法中最常用的原理算法。

多对换能器将被测量管道划分为几个区域，若将几对换能器平行对称放置，则可知道第i 声道的速度为

式中：t1i、t2i 分别表示第 i 条声路的逆流和顺流时间；vi 表示第 i 条声路的速度。

1.4 测站概况

超声波流量计是南水北调中线干线自动化调度系统中闸门控制、水量分配及调度的重要衡量仪器仪表。超声波流量计主要安装在沿线所有节制闸和分水闸。压力式水位计主要安装在沿线所有闸门控制处（闸前、闸后）。

2 标准要求与产品性能对比

根据JJG1030-2007 超声波流计检定规程中的5.1 进行准确度进行划分，以最大允许度误差E 完成等级划分，且重复性不应超过最大允许误差绝对值的 1/5

2.1 流量计准确度等级要求

2.2 国内外产品型号对比

目前市场中广泛使用的是进口产品，如rittmeyer、科隆、富士等品牌。国产产品如南瑞、汇中、优科仪表，根据官网和相关说明书，对国内外产品性能对比分析，对其主要参数进行调研。

3 超声波流量计率定与数据分析

中线对分水口进行率定，采用外贴式管道超声波流量计进行率定测量，率定安装位置与现阶段现安装的流量计位置相同。清万水流量计安装在下游配套流量计井内。现场采用1E4P 的安装方式进行安装，此种安装方式可以提供一个稳定准确的测流断面：建立 10 分钟一次的数据记录，和率定成果进行对比。新装的管道 4 声道流量计和率定结果进行对比，误差值都在 ±2% 之间，此误差中包含率定流量计的误差，符合流量计现场实际测量需求。

4 结论与建议

通过研究市面上常用的流量计方式和方法，明确了使用南水北调中线流量测量使用超声波流量计，研究超声波流计检定规程，根据现有参数进行了等级划分，并对清万水流量计进行率定测试得出以下结论。

（1）通过研究 JJG1030-2007 和 GBZ235717-2017 等相关标准，明确了流量计准确度的相关要求，国外厂家的如西门子、科隆、rittmeyer 达到了水位计准确度0.5-1 级别的精度指标。国内厂商的精度水平普遍在 1-2 级别，清万水流量计精度在 0.5-1 级。此数据仅为试验条件下的理想数据，其对水质和安装环境有严格的要求，应用于南水北调现场环境中，数据精度存在进一步扩大的可能。