黄通泉 陈通财 陈宝仰 周勇 应颂东

摘  要：超声水表在设计与制造的过程中，可能会存在设计原理使用方法错误等原因带来的测量数据不准确的情况，这些问题情况主要会分为系统错误和随机错误两种，其中系统错误可以了解内在的变化规律，通过适当的措施进行识别和改正;而随机的错误则需要通过提高制造水平，采用数据处理的方法，才能够削弱其不良影响。

关键词：超声水表;测量误差;分类;测量;特性;分析误差;处理;校正

前言：超声水表对于我国现在技术而言已经相对成熟，得到了广泛的推广使用，作为一种新型的电子水表，超声水表在设计制造和使用的过程中，由于科技较为新颖，因此存在着一些问题，还没有被彻底的解决，从而带来的误差集中的体现在他的测量结果中。由于观察误差的表象能够分析出超声水表产生问题的原因，从而判断出能够抑制或消除误差的一些措施，因此对于提高超声水表测量的精准度而言，是极其重要的。

一般情况下我们将系统的错误称为系统误差，随机出现的错误称为随机误差，系统误差需要通过测量和分析的方式对问题进行识别并校正;而随机误差则需要通过提高制造工艺，采用数据处理的方法，实现对问题的抑制和消弱。

一、超声水表的工作原理

就现有的技术水平而言，用于封闭管道饮用水测量的超声水表，都是采用的传播时间法原理来实现测量工作，计算方法主要以时间差法和速度差法。超声水表时间差法与超声水表速度差法，都会受到平均流速的影响，这个平均流速主要指管道内被测介质的平均流速，即水的平均流速，另外还需要知道管道内径、两片射片的中心距离、两个换能器安装轴线与管道轴线之间的夹角度数、超声波传播时间差。需要说明的是，超声波传播时间差为介质水的正向传播时间与逆向传播时间的差值。

通过研究算法公式，我们还发现时间差算法计算公式与超声波在介质中的传播速度有关，因此当被测介质水的温度、压力等物理性参数发生改变时，超声波传播速度也会跟着发生变化，导致测量结果出现误差;而速度差法，通过分析公式可以发现，由于没有超声波声速项的影响，一般情况下算法不需要对声速进行补偿了。

二、超声水表测量不确定性的分析

超声水表测量具有许多不确定的因素，会对数据带来误差，这不确定的因素主要来自以下几方面：测量管的几何参数，如体积流量、管道直径、中心距长度等;流速分布校正系数;测量的时间。三者之间的因素是互相独立的，但是带来的影响，却有可能同时出现。这些不确定因素出现的原因，往往是由于管道内流场扰动、信号检测、管道加工时间测量及处理等因素以及超声水表使用时的测量方法、技术的不同所引起的。比如：测量时，超声水表会受到横向流漩涡流、温度压力、流速分布畸变、脉动流的变化所干扰，或者受管道内壁粗糙度管道尺寸及形状、内部电子热噪声、环境电磁场、计时算法、电路计时分辨力和计时启停点准确度等影响。

三、超声水表系统误差的分析以及处理办法

通过研究发现，关于系统的误差是一种可以确定的，有变化规律的误差，由于误差可以掌握，所以可以通过校正或者是修正的方法削弱其不利影响。导致超声水表系统出现误差的原因有很多，以下将结合各类不确定因素进行分析和讨论，并提出消除误差的方法。

1、线平均流速与面平均流速之间的误差及处理办法

超声水表测得的流速值是线平均流速，而评定管道流量用的流速则是面平均流速，二者之间在不同的雷诺数测量条件下会存在着一定的函数关系，因此会需要引入速度分布校正系数来消除二者数值差异带来的误差。

面平均流速、进行线校正的前提要求是管道内的流速分布，一定是足够而充分发展变化的对称流。当管道内流体流动处于层流状态时，线平均流速与平均流速之间互为反比例关系。当雷诺数在2000以上，4000以下时，流体流动处于过度流状态，面与线之间的平均流速关系不是稳定不变的，但是因为雷诺数在这个区域很窄，使用时往往忽略。当雷诺数大于4000时，流体进入到串流状态，线与面平均流速会发生新的反比例变化。

具体的处理办法为：由于超声水表的流量测量范围非常宽广，一般都能够覆盖以上三个流动区域类型，面与线之间的平均流速在三个不同的流动区域间各有其函数比例关系，除了过度流区域，其他两个区域可以利用设立矫正函数来消除或削弱误差。

2、装配和加工导致的误差及处理办法

在超声水表制造的过程中会因两反射片中心距离、管道轴线夹角、换能器安装轴线与测量管内径等参数会发生偏离设计的情况，会使得测量结果出现系统偏离误差。

具体的处理办法为：这种因加工误差导致的系数误差也可以用一系列的矫正系数进行修补改正。

3、管道内壁粗糙导致的误差及处理办法

当管道内壁存在严重的粗糙程度时，会造成管道内径值和流速状态的变化。在湍流流动时，流速分布会对于管壁粗糙程度极为敏感，它会导致管内流速分布趋于弯曲，使面、线的流速校正出现误差。

具体的处理办法为：可以通过改变校正系数进行修订改正。

4、超声波在非测量段传播导致的误差及处理办法

由于超声波在被测介质中的传播时间会非常短，因此超声波沿着电子电路、导线、环能器等非被测介质传播时，也会产生的一些延时误差，可以忽略不计。

具体的处理办法为：由于超声波在经过这些部位时的延时是恒定的，必要的情况下也可以进行简单的修正。

四、超声水表随机误差的分析及处理办法

随机误差是指没有确定的变化规律，但就误差的总体而言，也可以发现一些统计的规律。

1、对计时分辨力不足所引起的误差及处理办法

目前性能较好的计时芯片，它的时间分辨率均在20ps左右，对于小口径反射式水表而言，当被测量小流量每小时8升，两反片之间距离在60mm左右，超声波在常温水中的传播速度小于每秒1500米的时候，可以算出超声波在介质传播的最小时间差在360ps。由此可见，即便采用较好的计时芯片，由于其分辨力的不足，也能够造成技术量化的误差。

具体的处理办法：通过多次连续求平均值的方法，虽然牺牲了超声水表的测量实时性，也会增加电能消耗，但是可以一定程度上降低随机误差的影响。

2、脉冲结束时点不稳定引起的误差及处理办法

受到环境的干扰，内部电子噪声以及换能器输出幅值不稳定等因素的影响，会导致计时脉冲结束时出现误差。

具体的处理办法：当这种情况出现时，只能通过加强电磁屏蔽、提高阀值电压、稳定接收换能器输出信号等方法来降低它的误差数值。

3、管道流动干扰引起的误差及处理办法

超声水表测量管道内的流体时会发生畸变和扰动，比如轴向速度剖面形状不确定变化，管道内出现瞬时脉动流或者是气泡等情况，不能用确定性的规律来进行描述，存在着一种随机性的干扰。

具体的处理办法：对于这类的干扰，可以通过增加水表前后直管长度、安装流动整流器、改变换能器安装孔的设计方法等措施进行削弱和消除。

结束语：

是超聲水表的测量准确度得到进一步的提高，必须要消除测量当中出现的误差影响，需要溯本逐源，对超声水表在设计上、制造上、安装上、使用上等各个环节带来的误差进行深入分析和研究处理，通过识别不同误差的类型和规律，进行设计优化，使超声水表提高信号与数据处理能力，从而以优化方案的方式矫正和修订误差，使误差得到消除或者削弱。

参考文献：

[1]姚灵，王让定，左富强，等.单声道超声水表测量特性分段校正方法的研究[J].计量学报，2013.

[2]姚灵，王让定，左富强，等.超声水流量检测换能器使用特性及评价指标研究[J].计量学报，2014.

[3]姚灵.电子水表传感与信号处理技术[M].北京： 中国质检出版社，2012.