超聲水表測量誤差分析及處理

1、    超聲水表測量誤差分析及處理    黃通泉 陳通財(cái) 陳寶仰 周勇 應(yīng)頌東摘  要：超聲水表在設(shè)計(jì)與制造的過程中，可能會存在設(shè)計(jì)原理使用方法錯(cuò)誤等原因帶來的測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的情況，這些問題情況主要會分為系統(tǒng)錯(cuò)誤和隨機(jī)錯(cuò)誤兩種，其中系統(tǒng)錯(cuò)誤可以了解內(nèi)在的變化規(guī)律，通過適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行識別和改正;而隨機(jī)的錯(cuò)誤則需要通過提高制造水平，采用數(shù)據(jù)處理的方法，才能夠削弱其不良影響。關(guān)鍵詞：超聲水表;測量誤差;分類;測量;特性;分析誤差;處理;校正前言：超聲水表對于我國現(xiàn)在技術(shù)而言已經(jīng)相對成熟，得到了廣泛的推廣使用，作為一種新型的電子水表，超聲水表在設(shè)計(jì)制造

2、和使用的過程中，由于科技較為新穎，因此存在著一些問題，還沒有被徹底的解決，從而帶來的誤差集中的體現(xiàn)在他的測量結(jié)果中。由于觀察誤差的表象能夠分析出超聲水表產(chǎn)生問題的原因，從而判斷出能夠抑制或消除誤差的一些措施，因此對于提高超聲水表測量的精準(zhǔn)度而言，是極其重要的。一般情況下我們將系統(tǒng)的錯(cuò)誤稱為系統(tǒng)誤差，隨機(jī)出現(xiàn)的錯(cuò)誤稱為隨機(jī)誤差，系統(tǒng)誤差需要通過測量和分析的方式對問題進(jìn)行識別并校正;而隨機(jī)誤差則需要通過提高制造工藝，采用數(shù)據(jù)處理的方法，實(shí)現(xiàn)對問題的抑制和消弱。一、超聲水表的工作原理就現(xiàn)有的技術(shù)水平而言，用于封閉管道飲用水測量的超聲水表，都是采用的傳播時(shí)間法原理來實(shí)現(xiàn)測量工作，計(jì)算方法主要以時(shí)間差法

3、和速度差法。超聲水表時(shí)間差法與超聲水表速度差法，都會受到平均流速的影響，這個(gè)平均流速主要指管道內(nèi)被測介質(zhì)的平均流速，即水的平均流速，另外還需要知道管道內(nèi)徑、兩片射片的中心距離、兩個(gè)換能器安裝軸線與管道軸線之間的夾角度數(shù)、超聲波傳播時(shí)間差。需要說明的是，超聲波傳播時(shí)間差為介質(zhì)水的正向傳播時(shí)間與逆向傳播時(shí)間的差值。通過研究算法公式，我們還發(fā)現(xiàn)時(shí)間差算法計(jì)算公式與超聲波在介質(zhì)中的傳播速度有關(guān)，因此當(dāng)被測介質(zhì)水的溫度、壓力等物理性參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，超聲波傳播速度也會跟著發(fā)生變化，導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)誤差;而速度差法，通過分析公式可以發(fā)現(xiàn)，由于沒有超聲波聲速項(xiàng)的影響，一般情況下算法不需要對聲速進(jìn)行補(bǔ)償了。二、

4、超聲水表測量不確定性的分析超聲水表測量具有許多不確定的因素，會對數(shù)據(jù)帶來誤差，這不確定的因素主要來自以下幾方面：測量管的幾何參數(shù)，如體積流量、管道直徑、中心距長度等;流速分布校正系數(shù);測量的時(shí)間。三者之間的因素是互相獨(dú)立的，但是帶來的影響，卻有可能同時(shí)出現(xiàn)。這些不確定因素出現(xiàn)的原因，往往是由于管道內(nèi)流場擾動(dòng)、信號檢測、管道加工時(shí)間測量及處理等因素以及超聲水表使用時(shí)的測量方法、技術(shù)的不同所引起的。比如：測量時(shí)，超聲水表會受到橫向流漩渦流、溫度壓力、流速分布畸變、脈動(dòng)流的變化所干擾，或者受管道內(nèi)壁粗糙度管道尺寸及形狀、內(nèi)部電子熱噪聲、環(huán)境電磁場、計(jì)時(shí)算法、電路計(jì)時(shí)分辨力和計(jì)時(shí)啟停點(diǎn)準(zhǔn)確度等影響。三

5、、超聲水表系統(tǒng)誤差的分析以及處理辦法通過研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)于系統(tǒng)的誤差是一種可以確定的，有變化規(guī)律的誤差，由于誤差可以掌握，所以可以通過校正或者是修正的方法削弱其不利影響。導(dǎo)致超聲水表系統(tǒng)出現(xiàn)誤差的原因有很多，以下將結(jié)合各類不確定因素進(jìn)行分析和討論，并提出消除誤差的方法。1、線平均流速與面平均流速之間的誤差及處理辦法超聲水表測得的流速值是線平均流速，而評定管道流量用的流速則是面平均流速，二者之間在不同的雷諾數(shù)測量條件下會存在著一定的函數(shù)關(guān)系，因此會需要引入速度分布校正系數(shù)來消除二者數(shù)值差異帶來的誤差。面平均流速、進(jìn)行線校正的前提要求是管道內(nèi)的流速分布，一定是足夠而充分發(fā)展變化的對稱流。當(dāng)管道內(nèi)流體流

6、動(dòng)處于層流狀態(tài)時(shí)，線平均流速與平均流速之間互為反比例關(guān)系。當(dāng)雷諾數(shù)在2000以上，4000以下時(shí)，流體流動(dòng)處于過度流狀態(tài)，面與線之間的平均流速關(guān)系不是穩(wěn)定不變的，但是因?yàn)槔字Z數(shù)在這個(gè)區(qū)域很窄，使用時(shí)往往忽略。當(dāng)雷諾數(shù)大于4000時(shí)，流體進(jìn)入到串流狀態(tài)，線與面平均流速會發(fā)生新的反比例變化。具體的處理辦法為：由于超聲水表的流量測量范圍非常寬廣，一般都能夠覆蓋以上三個(gè)流動(dòng)區(qū)域類型，面與線之間的平均流速在三個(gè)不同的流動(dòng)區(qū)域間各有其函數(shù)比例關(guān)系，除了過度流區(qū)域，其他兩個(gè)區(qū)域可以利用設(shè)立矯正函數(shù)來消除或削弱誤差。2、裝配和加工導(dǎo)致的誤差及處理辦法在超聲水表制造的過程中會因兩反射片中心距離、管道軸線夾角、換

7、能器安裝軸線與測量管內(nèi)徑等參數(shù)會發(fā)生偏離設(shè)計(jì)的情況，會使得測量結(jié)果出現(xiàn)系統(tǒng)偏離誤差。具體的處理辦法為：這種因加工誤差導(dǎo)致的系數(shù)誤差也可以用一系列的矯正系數(shù)進(jìn)行修補(bǔ)改正。3、管道內(nèi)壁粗糙導(dǎo)致的誤差及處理辦法當(dāng)管道內(nèi)壁存在嚴(yán)重的粗糙程度時(shí)，會造成管道內(nèi)徑值和流速狀態(tài)的變化。在湍流流動(dòng)時(shí)，流速分布會對于管壁粗糙程度極為敏感，它會導(dǎo)致管內(nèi)流速分布趨于彎曲，使面、線的流速校正出現(xiàn)誤差。具體的處理辦法為：可以通過改變校正系數(shù)進(jìn)行修訂改正。4、超聲波在非測量段傳播導(dǎo)致的誤差及處理辦法由于超聲波在被測介質(zhì)中的傳播時(shí)間會非常短，因此超聲波沿著電子電路、導(dǎo)線、環(huán)能器等非被測介質(zhì)傳播時(shí)，也會產(chǎn)生的一些延時(shí)誤差，可以

8、忽略不計(jì)。具體的處理辦法為：由于超聲波在經(jīng)過這些部位時(shí)的延時(shí)是恒定的，必要的情況下也可以進(jìn)行簡單的修正。四、超聲水表隨機(jī)誤差的分析及處理辦法隨機(jī)誤差是指沒有確定的變化規(guī)律，但就誤差的總體而言，也可以發(fā)現(xiàn)一些統(tǒng)計(jì)的規(guī)律。1、對計(jì)時(shí)分辨力不足所引起的誤差及處理辦法目前性能較好的計(jì)時(shí)芯片，它的時(shí)間分辨率均在20ps左右，對于小口徑反射式水表而言，當(dāng)被測量小流量每小時(shí)8升，兩反片之間距離在60mm左右，超聲波在常溫水中的傳播速度小于每秒1500米的時(shí)候，可以算出超聲波在介質(zhì)傳播的最小時(shí)間差在360ps。由此可見，即便采用較好的計(jì)時(shí)芯片，由于其分辨力的不足，也能夠造成技術(shù)量化的誤差。具體的處理辦法：通過

9、多次連續(xù)求平均值的方法，雖然犧牲了超聲水表的測量實(shí)時(shí)性，也會增加電能消耗，但是可以一定程度上降低隨機(jī)誤差的影響。2、脈沖結(jié)束時(shí)點(diǎn)不穩(wěn)定引起的誤差及處理辦法受到環(huán)境的干擾，內(nèi)部電子噪聲以及換能器輸出幅值不穩(wěn)定等因素的影響，會導(dǎo)致計(jì)時(shí)脈沖結(jié)束時(shí)出現(xiàn)誤差。具體的處理辦法：當(dāng)這種情況出現(xiàn)時(shí)，只能通過加強(qiáng)電磁屏蔽、提高閥值電壓、穩(wěn)定接收換能器輸出信號等方法來降低它的誤差數(shù)值。3、管道流動(dòng)干擾引起的誤差及處理辦法超聲水表測量管道內(nèi)的流體時(shí)會發(fā)生畸變和擾動(dòng)，比如軸向速度剖面形狀不確定變化，管道內(nèi)出現(xiàn)瞬時(shí)脈動(dòng)流或者是氣泡等情況，不能用確定性的規(guī)律來進(jìn)行描述，存在著一種隨機(jī)性的干擾。具體的處理辦法：對于這類的干擾，可以通過增加水表前后直管長度、安裝流動(dòng)整流器、改變換能器安裝孔的設(shè)計(jì)方法等措施進(jìn)行削弱和消除。結(jié)束語：是超聲水表的測量準(zhǔn)確度得到進(jìn)一步的提高，必須要消除測量當(dāng)中出現(xiàn)的誤差影響，需要溯本逐源，對超聲水表在設(shè)計(jì)上、制造上、安裝上、使用上等各個(gè)環(huán)節(jié)帶來的誤差進(jìn)行深入分析和研究處理，通過識別不同誤差的類型和規(guī)律，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使超聲水表提高信號與數(shù)據(jù)處理能力，從而以優(yōu)化方案的方式矯正和修訂誤差，使誤差得到消