污水處理終端的排放計量一般是以速度式流量計和明渠流量計為主構(gòu)成的、以直接測量封閉管道中滿管流流動速度為原理的終端排放計量系統(tǒng)。眾所周知，大管徑、大流量及各類明渠、暗渠的測量是相當(dāng)困難的。此外，一般的流量計隨著管徑的增大會帶來制造和運輸上的困難，且有不少流量只適用于圓型管道，而且造價高、能耗大、安裝不便，但是，這些問題超聲波流量計均可避免，且超聲波流量計對介質(zhì)幾乎無要求；并且其流量測量的準(zhǔn)確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、密度、黏度等參數(shù)的影響。所以，筆者將超聲波流量計用于針對以速度式流量計和明渠流量計為主構(gòu)成的污水處理終端排放計量系統(tǒng)的校準(zhǔn)，結(jié)果證明其能大大提高流量測量儀表的性價比。

　　封閉管道用超聲波流量計按測量原理分類有傳播速度差法（包括時差法、相位差法和頻差法）、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、漩渦法、相關(guān)法和流速-液面法。在此，僅著重介紹目前用得最多的傳播速度差法之時差法。

　　一、超聲波流量計的時差法測量原理與超聲波流量計的結(jié)構(gòu)

　　時差法是指聲波在流體中傳播，與在靜止的流體中相比，在順流方向聲波傳播速度會增大，逆流方向則減少，同一傳播距離在兩個方向上就有不同的傳播時間。利用傳播速度之差與被測流體流速之關(guān)系求取流速，即為傳播時差法。

　　超聲波流量計主要由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和積算系統(tǒng)（或超聲波換能器和轉(zhuǎn)換器）組成。換能器和轉(zhuǎn)換器間用專用的信號線連接。夾裝式換能器通常還需配用安裝夾具和耦合劑。

　　夾裝式超聲波流量計在使用前需測出測量管內(nèi)徑，并輸入轉(zhuǎn)換器中。

　　二、以標(biāo)準(zhǔn)夾裝式超聲波流量計檢測污水處理終端的排放計量系統(tǒng)的不確定度分析

　　1.測量方法

　　檢測時首先按標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計使用說明書要求，安裝標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量傳感器，以使流量信號符合滿流測試條件。

　?。?）確定系統(tǒng)管道直徑

　　在系統(tǒng)試驗直管道區(qū)域內(nèi)均勻選擇不少于3個點L（L1、L2、L3⋯⋯Ln），每個點用鋼卷尺測量系統(tǒng)管道周長并計算管道直徑，各點直徑誤差小于0.2%，則各點直徑的平均值為系統(tǒng)管道的直徑。

　　注：如果各L點直徑誤差超過0.2%，則重新確定系統(tǒng)管道直徑。

　?。?）確定系統(tǒng)管道壁厚

　　對選擇的各點L（L1、L2、L3⋯⋯Ln）用超聲波測厚儀進行壁厚測試，每個點沿圓周均勻選擇不少于4個點p（p1、p2、p3、p4⋯⋯pn）進行管道壁厚測試，各p點的平均值為該圓周L點的管道壁厚，L1、L2、L3⋯⋯Ln各點的管道壁厚誤差≤0.3mm，則各L點管道壁厚平均值為系統(tǒng)管道壁厚。

　　注：如果各L點壁厚誤差>0.3mm，則重新確定系統(tǒng)管道壁厚。

　　（3）確定標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計傳感器安裝尺寸

　　輸入管道直徑、管道壁厚、材質(zhì)等各種參數(shù)，使標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計處于正常工作狀態(tài)，并計算標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計傳感器安裝尺寸。

　?。?）確定安裝位置

　　根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計傳感器安裝尺寸，用鋼卷尺確定安裝位置。標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計傳感器安裝點應(yīng)保證在選擇的L點上，計量誤差校準(zhǔn)時應(yīng)分別在縱向和橫向進行。

　　2.數(shù)學(xué)模型

　　根據(jù)上面的分析，被檢污水處理終端的排放計量系統(tǒng)的示值誤差可以寫成：

　　式中：δi――計量系統(tǒng)示值相對誤差；Qi――第i次計量系統(tǒng)校準(zhǔn)測得的累積流量，m3；Qsi――第i次標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計校準(zhǔn)測得的平均累積流量，m3。

　　其中，Qsi是標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計校準(zhǔn)測得的平均累積流量讀數(shù)值，受其本身的最大允差和測量管直徑及管徑壁厚測量誤差等的影響，Qi是計量系統(tǒng)校準(zhǔn)測得的累積流量讀數(shù)值，受測量重復(fù)性的影響，由此可將數(shù)學(xué)模型展開如下：

　　式中：δi1――被校計量系統(tǒng)測量重復(fù)性引起的誤差；δi2――被校計量系統(tǒng)平均誤差的重復(fù)性引起的誤差；δsi1――標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計本身的最大允差引起的誤差；δsi2――標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計因測量管直徑及管徑壁厚引起的誤差。

　　3.方差和傳播系數(shù)

　　根據(jù)方程

　　得

　　求偏導(dǎo)：

　　得：

　　4.計算分量標(biāo)準(zhǔn)不確定度

　?。?）被校計量系統(tǒng)測量重復(fù)性引起的不確定度分量u1以夾裝式超聲流量計為例，對污水處理終端的排放計量系統(tǒng)進行檢測。測得測量管道內(nèi)徑為2200mm，測量誤差為0.1mm。每個流量點檢測6次，檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 被校計量系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)

　　取測試流量點范圍內(nèi)各點重復(fù)性的最大值0.18%，按均勻分布，

　　自由度ν（u1）=5

　?。?）平均誤差的重復(fù)性引起的不確定度u2

　　根據(jù)公式

　　再由n=6得：自由度ν（u2）=5

　?。?）標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計本身的最大允差引起的不確定度分量u3

　　標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計本身的最大允差為0.2%，正態(tài)分布，k=2，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

　　故自由度ν（u3）=∞

　?。?）標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計因測量管直徑及管徑壁厚誤差引起的不確定度分量u4

　　管徑壁厚的測量誤差由超聲波測厚儀的系統(tǒng)誤差決定，超聲波測厚儀的系統(tǒng)誤差約為0.5%，均勻分布，　　　　

　　其不可靠性為10%，故自由度ν（u4）=50

　?。?）標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表

　　綜上所述，得到各項不確定度分量和相關(guān)信息如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量一覽表

　?。?）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

　?。?）有效自由度

　　由韋爾奇-薩特思韋特公式計算有效自由度：

　　5.本次擴展不確定度

　　U=kuc，包含因子k=2。

　　故擴展不確定度U=2×0.35%=0.7%

　　6.測量不確定度報告

　　綜上分析，用標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計現(xiàn)場校準(zhǔn)污水處理終端排放計量系統(tǒng)的擴展不確定度U=0.7%，k=2。

　　三、結(jié)束語

　　用標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計進行污水處理終端排放計量系統(tǒng)的現(xiàn)場校準(zhǔn)能達到校準(zhǔn)的目的。由于超聲波流量計的工作性能與現(xiàn)場安裝使用有極大的關(guān)系，所以要創(chuàng)造必要的現(xiàn)場工作條件，并對儀表進行正確的安裝調(diào)試，才能保障超聲波流量計的正常工作和準(zhǔn)確計量。所以，在用標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計進行污水處理終端排放計量系統(tǒng)現(xiàn)場校準(zhǔn)前，要注意這幾個問題：（1）詳細(xì)了解現(xiàn)場情況；（2）確定安裝方式；（3）選擇安裝管段；（4）計算安裝距離，確定換能器位置；（5）管道表面處理；（6）換能器安裝及接線；（7）觀察接收波形、微調(diào)并固定換能器。