CN111256788B - 一种时差法超声波流量计的校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时差法超声波流量计的校验方法，包括如下步骤：步骤一：根据换能器之间的声路长度以及声波传播时间计算静水声速；步骤二：计算与该静水声速相对应的测量水温，将所述测量水温与标准水温相对比，判断该对换能器是否需要校验；步骤三：若需要校验则调整该对换能器之间声路长度的参数值，直至测量水温与标准水温一致，完成本对换能器的校验，进入下一对换能器的校验；若无需校验则判断下一对换能器是否需要校验；直至完成所有换能器的静水声速的校验；步骤四：对每对换能器的声路角校验后完成超声波流量计的校验。本方法无需将流量计进行送检，只需现场检测，更加的简单方便，且校检速度快，准确度高。

Description

一种时差法超声波流量计的校验方法

技术领域

本发明涉及计量设备校验领域。更具体地，涉及一种时差法超声波流量计的校验方法。

背景技术

超声波流量计广泛应用于测量大管道(DN500～DN48000)、管涵、涵洞、明渠(矩形、梯形、复合断面)的流量测验。在远程引水工程水量计量、水轮机发电效率测量、城市给排水监测、水文测验以及水量贸易结算等诸多领域均有应用。

通常超声波流量计由测量主机、测量软件、测量断面、换能器和测量介质所组成的在线自动计量装置。依据我国《计量法》在使用一段时间后需对其进行校验，以获得更精准的测量。传统的校验方法是体积法、称重法和标准表法。但是这些校验方法均具有校准成本高，送检难度大的缺点。即需要对设备进行拆除送至专门实验室中进行校准，过程繁琐；并且实验室中的校验结果与现场使用时会因为不同环境的影响仍会存在误差。

因此，需要有一种校验结果可靠而且免送检的校验方法。解决用户所关心的大流量高精度超声波流量计计量准确性问题。

发明内容

本发明一个目的是提供一种时差法超声波流量计校验的新技术方案。

根据本发明第一方面，提供了一种时差法超声波流量计的校验方法，包括如下步骤：

步骤一：根据换能器之间的声路长度以及声波传播时间计算静水声速；

步骤二：计算与该静水声速相对应的测量水温，将所述测量水温与标准水温相对比，判断该对换能器是否需要校验；

步骤三：若需要校验则调整该对换能器之间声路长度的参数值，直至测量水温与标准水温一致，完成本对换能器的校验，进入下一对换能器的校验；若无需校验则判断下一对换能器是否需要校验；直至完成所有换能器的静水声速的校验；

步骤四：对每对换能器的声路角校验后完成超声波流量计的校验。

通过本方案，仅通过调整换能器组的声路长度参数，使换能器所测的测量水温与标准水温的差值在一定范围内，便能够实现换能器的校检；该方法无需将换能器进行送检，现场无需拆除且无需水下作业即可完成校检，更加的简单方便，且校检速度快，准确度高。

优选地，在所述步骤二中，判断该对换能器是否需要校验的标准为：若测量水温与标准水温差值超过误差允许范围，则需要校验该对换能器。

优选地，在所述步骤二中，所述测量水温根据静水声速水温关系曲线计算得出。

优选地，所述静水声速水温关系曲线由若干多项式拟合得出。

通过本方案，由于静水声速水温关系曲线在计算机中为高级多项式，执行较为困难，占用运算资源大，因此拟合为多段多项式之后计算方便，执行简单，且能够保证0.1％及更高的精度。

优选地，对0℃至70℃的温度范围至少划分为至少四个不等距的温度区间，对每个温度区间进行声速温度关系的多项式拟合。

通过本方案，对常用温度内进行至少四段分区，并进行多项式拟合，保证精度在0.1％以内。

根据本公开的一个实施例，本校检方法无需对超声波流量计拆除送检，在原工作环境中就能够进行校检，不仅简化了校检的过程，缩短了校检时间，还能够避免拆除安装过程中扩大其他参数误差，保证精度；本方法开创性的通过间接测量和调整换能器组所测得的水温度，实现换能器组所测量的水流速度的校验，思路新颖，且准确度高，操作更加快捷方便。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明实施例中的时差法超声波流量计的校验方法流程图。

图2是本发明实施例的时差法超声波流量计的校验方法中对静水声速-水温关系曲线的分区拟合示意图。

图3是本发明实施例中对明渠进行时差法超声波流量计校验的流程图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

实施例

如图1所示，本实施例中的时差法超声波流量计的校验方法，包括如下步骤：

步骤一：根据换能器之间的声路长度以及声波传播时间计算静水声速；

步骤二：计算与该静水声速相对应的测量水温，将所述测量水温与标准水温相对比，判断该对换能器是否需要校验；

步骤三：若需要校验则调整该对换能器之间声路长度的参数值，直至测量水温与标准水温一致，完成本对换能器的校验，进入下一对换能器的校验；若无需校验则判断下一对换能器是否需要校验；直至完成所有换能器的静水声速的校验；

步骤四：对每对换能器的声路角校验后完成超声波流量计的校验。

其中，步骤一中的计算静水声速通过如下公式进行计算：

静水声速

式中：tu为逆水声波传播时间；td为顺水声波传播时间；L为声路长(两个换能器之间的直线距离)。tu与td同时用于计算瞬时流量的线流速。

由于静水声速C受温度的影响较大，因此能够根据静水声速C的纯温度依赖性图表查询得出当前的水温值，即实施步骤二得出每组换能器组间接测量出的测量水温。通过标准水温计实际测得的标准水温与该测量水温相比较，若相差过大则确定该组换能器组测量状态有问题，需要进行校验。通过换能器所测静水声速对温度的依赖性，从而间接测量出测量水温，根据测量水温与标准水温对比便能够得出该换能器的测量状态，若换能器测量状态正常则测量水温必定与标准水温相差不大，若换能器测量状态有误差，则测量水温必定与标准水温相差较大，从而间接得知静水声速的正确与否，进而达到检验水流的线流速是否正确的目的。

将测量水温与标准水温相比测，若测量水温与标准水温差值超过误差允许范围，则需要校验该对换能器，该误差允许范围例如是1℃。

得出待校验的换能器组；得出待校验换能器的其标准可以如下所示：

若测量水温与标准水温差值的绝对值在0～0.51℃则说明声速测量状态良好；

若测量水温与标准水温差值的绝对值在0.51～1℃则说明声速测量状态基本满意，暂不需要调修；

若测量水温与标准水温差值的绝对值大于1℃则说明声速测量状态误差较大,需要调修。

对声速测量误差调修的过程中，根据静水声速的公式：

可以看出，每对换能器对静水声速的测量误差主要由两个方面的原因造成，一是声路长度的参数有误差(即参数L的误差)，还有一个是传播时间上的测量有误差(即tu以及td的误差)，该两个误差共同作用形成静水声速的测量误差(即静水声速C的误差)；

然而传播时间(tu与td)的测量是超声波流量计在工作过程中自动测量生成的，该值无法进行调节，因此可以仅通过调整声路长度参数来减小声路长度误差，并且通过改变声路长度参数来弥补传播时间的测量误差，从而修正总的测量误差，即仅仅通过调整声路长度来调整C的数值，该数值的准确性主要通过测量温度显示出来，所以通过改变声路长度保证测量温度与标准温度一致，温度值校验准确了，静水声速值便能够校验准确，从而完成对换能器组的线流速的校验。所以在超声波流量计的系统中修改声路长度参数L的数值，即能够完成对流速测量误差的修正。

然后根据公式

Δt＝tu-td；

得出水流速度Vi，式中tu为逆水声波传播时间；td为顺水声波传播时间；L为声路长；α为声路角(即同一组换能器之间连线相对于水流方向的夹角)。

然后实施第四步，对每对换能器的声路角校验后完成超声波流量计的校验。

在对流量计进行校验过程中，还包括对水流横截面积S进行校验，最后得出准确的流量Q。

明渠的现场校验方法流程如图3所示。

通过本实施例该方案，仅通过调整换能器组的声路长度，使换能器所测的测量水温与标准水温一致，便能够实现换能器的校检；该方法无需将换能器进行送检，现场无需拆除即可完成校检，更加的简单方便，且校检速度快，准确度更高。

在本实施例或其他实施例中，所述步骤二中，如图2所示的，对静水声速水温关系曲线划分为若干区间，对每个区间均进行声速温度关系的多项式拟合。图中的曲线(点线)为静水声速-温度关系曲线图，四条实线为拟合后的声速-温度对应关系。由于静水声速水温关系曲线在计算机中为高级多项式，执行较为困难，占用运算资源大，因此拟合为多段多项式之后计算方便，执行简单，且能够保证0.1％及更高的精度。

在本实施例或其他实施例中，对0℃至70℃的温度范围至少划分为至少四个不等距的温度区间，对每个温度区间进行声速温度关系的多项式拟合。由于静水声速-温度关系曲线图在大于70℃的时候会向下弯曲，造成同一静水声速对应多个温度，容易造成混乱，因此对常用的检测温度内进行至少四段分区，并进行多项式拟合，保证精度在0.1％以内。

在实际测量过程中，对西黑山节制闸下游RISONIC2000八声道明渠流量计根据本方法进行了流量计的校验之后，进行了水温现场比测，比测结果如下表所示：

通过该表可以看出，根据本方式做出的流量计水温检测，对温度的检测准确度较高，因此本发明的方法对于流量计的校验准确度较高。

本时差法超声波流量计准确性现场校验方法，依据行业大流量计量设备计量精度表，确定被验设备的计量准确性等级，具体确定等级标准可以参考下表：

从该表格中能够看出，依据本发明的时差法超声波流量计的校验方法所校准的超声波流量计，在用其他常用的校验方法进行校验后，得出误差均在0.5％～3％以内，因此，依据本发明的时差法超声波流量计的校验方法可靠性高，值得推广使用。

本校检方法无需对超声波流量计拆除送检，在原工作环境中就能够进行校检，不仅简化了校检的过程，缩短了校检时间，还能够避免拆除安装过程中扩大其他参数误差，保证精度；本方法开创性的通过间接测量和调整换能器组所测得的水温值，实现换能器组所测量的水流速度的校检，思路新颖，且准确度高，操作更加快捷方便。

在一个实际的例子中，使用本方法进行的超声波流量计的校检方法具体步骤为：

首先使用标准水温计测量当前水温的实际值；

然后进入RISONIC 2000超声波流量计主机F3诊断DIAG界面。查看八个声道分层水温测量值为：

Tp1＝0.47℃

Tp2＝0.48℃

Tp3＝0.50℃

Tp4＝0.44℃

Tp5＝4.27℃异常

Tp6＝3.58℃异常

Tp7＝3.01℃异常

Tp8 9912.08未淹没

通过对比发现第5，6，7声道所测水温明显偏高，因此需要对低5，6，7声道的换能器进行校检。

第三步调整相关声路长L参数，在调整过程中，边观察流量计所测得的水温值。使测量的水温值慢慢靠近标准水温，直至测量水温符合标准水温，调整后的具体参数如下：

声道	原声路长	现声路长	差值
				5	L5＝31.308m	L5＝31.108m	-0.2m
6	L6＝33.380m	L6＝33.021m	-0.359m
				7	L7＝35.076m	L7＝34.966m	-0.11m

调整后，超声波流量计水温测量值为：0.48℃,接近标准水温。

从而完成超声波流量计的换能器测量状态的校验工作。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (1)

1.一种时差法超声波流量计的校验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：根据换能器之间的声路长度以及声波传播时间，通过如下公式计算静水声速：

式中：tu为逆水声波传播时间，td为顺水声波传播时间；L为声路长；

步骤二：计算与该静水声速相对应的测量水温，将所述测量水温与标准水温相比测，判断该对换能器是否需要校验；所述测量水温根据静水声速水温关系曲线计算得出，其中，通过将0℃至70℃的温度范围，划分为至少四个不等距的温度区间，对每个所述温度区间进行声速温度关系的多项式拟合后，得到所述静水声速水温关系曲线；

步骤三：若需要校验则调整该对换能器之间声路长度的参数值，直至测量水温与标准水温一致，完成本对换能器的校验，进入下一对换能器的校验；若无需校验则判断下一对换能器是否需要校验；直至完成所有换能器的静水声速的校验；

步骤四：对每对换能器的声路角校验后完成超声波流量计的校验，其中，在对所述超声波流量计进行校验过程中，还包括对水流横截面积S进行校验，最后得出流量Q；

在所述步骤二中，判断该对换能器是否需要校验的标准为：若测量水温与标准水温差值超过误差允许范围，则需要调修该对换能器，其中，

若测量水温与标准水温差值的绝对值在0～0.51℃，则表示声速测量状态良好；

若测量水温与标准水温差值的绝对值在0.51～1℃，则表示声速测量状态基本满意，暂不需要调修；

若测量水温与标准水温差值的绝对值大于1℃，则表示声速测量状态异常误差较大,需要调修；

在调修的过程中，通过对流速测量误差进行修正，得到正确的线流速，所述修正的方法为：

Δt＝tu-td，

式中，V_i为线流速，α为声路角，L为声路长，Δt为测量时差，其中，

所述声路角用于表示同一组换能器之间连线相对于水流方向的夹角；

所述测量时差用于表示在每对所述换能器对所述静水声速测量的过程中，在传播时间上产生的测量误差。

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