基于超聲波液位計的標準流量計量方法

自動化儀表四廠為了解決傳統水流量標準裝置存在由換向器的換入和換出行程差產生的流量測量誤差問題。通過對超聲波液位計的原理分析和容積標定法的研究，提出了一種基于超聲波液位計和標準水箱的流量在線檢測計量方法。利用超聲波液位計與標準水箱進行實驗，得到液位高度和液位體積的函數關系；利用上位機和 8 路模擬量采集模塊采集標準水箱液位高度和相應的時間，進而得到標準圓筒中液位體積和時間的關系，由單位時間內流體體積的變化值得到實際流量值。實驗結果表明，采用此方法得到的流量測量值精度能夠達到 0.55%，能夠實現流量的精準測量。

引言

流量計量與國民經濟和科學研究有著非常密切的聯系，它的準確測量對于提高生產效率、促進科學技術的發展具有非常重要的作用。通過計量確保流程工業在線不可拆卸計量儀表測量的準確性和可靠性是企業計量管理部門乃至國家計量院所面臨的重大課題。由于流量的動態特性使得流量測量技術變得更加困難和復雜。因此，為了更加準確地測量流體流量以及保證流量計量儀表的準確可靠性，必須選擇合適的流量測量方法。液位測量方法有很多，主要分為直接液位測量法和間接液位測量法。直接液位測量法是以直觀的方法檢測液位的變化情況，雖所用器具結構簡單但方法原始，不能滿足工業自動化的要求。因此間接液位測量法得到了廣泛的應用。在非接觸測量方式中超聲波流量計則具有計量精度高、對管徑的適應性強、靈敏度好、使用方便、易于數字化管理等優勢。

在現存的各種液位、流量儀表中，利用超聲技術研制的儀表因優越于其他液位計、流量計，而且具有明顯優點（如可進行非接觸測量、測量精度較高等），在測量儀表中占有非常重要的地位，得到了越來越廣泛的應用[5]。正是由于超聲波流量計具有的諸多優勢，使得其成為了當今流量計量的主流[6]。事實上，基于超聲波液位計和計量槽測流量，在國內用的相當普遍，比如說農業灌溉水的流量測量，工廠排污口的流量測量，人工渠道的流量測量等。相比于多普勒測流法，這種方式測出的。而一旦水深比較淺，水比較清澈，流速很慢或者超快時，就需要超聲波液位計進行流量計量了。

由于測量原理的不同或測量元件的形式差別，每一種流量儀表都有其非常為適用的工況和獨特的安裝要求。在流量儀表的實際應用中，要想達到優良的測量效果，既要選擇合適的儀表類型，還要兼顧流量計安裝位置滿足所選儀表的測量要求。通常使用的流量計有節流式差壓流量計、渦街流量計、超聲流量計等，現有的超聲波流量計的精度為 1%，配置插入式傳感器準確度可達0.5%，為了確保流量測量方法的精度，本文提出了一種基于超聲波液位計和標準水箱的流量在線檢測計量方法。利用超聲波液位計測得標準水箱的液位高度 H 和液位體積 V 的數據，由非常小二乘法得到液位高度和液位體積的函數關系 V(H)；利用 8 路模擬量采集模塊 DAQM-4206 進行數據傳輸，在基于 python 的上位機中得到每個時刻 t 對應的液位高度 H，進而得到每次實驗中體積 V 和液位上升時間 t 的函數關系 V(t)，從而能實現流量的瞬時測量，則單位時間內流體體積的變化值就是實際流量值。

由于超聲波液位計要經采集模塊與計算機進行通信，硬件電路延時等會產生系統誤差[15]，因為系統誤差都是由于硬件電路本身引起的，而在實驗過程中，實驗環境以及硬件設施的配置都是相同的，因此，對于不同高度的液位進行測量時都存在時間延遲的情況，假設 S1、S2 為兩個待測的不同的液位高度，t1、t2 分別為對應于這兩個固定距離采集的回聲值（內含Δt 因素），則超聲波在 S1、S2 距離內傳播所用的時間實際上分別為t1–Δt 和 t2–Δt。所以在計算時間的過程中 Δt 的影響可以抵消，也就是說時間的誤差的影響可以忽略不計。

4 結論

（1）針對水面波動對超聲波液位計測量的影響問題，設計了一個從底部進水并且具有半球狀緩沖區域的標準水箱，有效減小了水面的波動。

（2）提出了一種基于超聲波液位計和標準圓筒的流量在線檢測計量方法。建立了決定系數和均方根誤差為 0.999 89148 和 1 653.709 35 mL 的液位體積和高度的擬合曲線，利用 8 路模擬量采集模塊 DAQM-4206 和基于 python 的上位機實現了流量的在線檢測。

（3）對實驗結果進行誤差處理，得到非常后的精度為 0.55%，進行溫度補償以后，精度可以達到 0.5%，自動化儀表四廠符合現有超聲波液位計的測量精度，能夠實現流量的精確測量。