深度|超声波水表零流量特性的检测与控制

一. 产品主要技术指标

从现行国家计量检定规程看，水表检定(含首次检定、后续检定和使用中检定)项目主要有水表的“示值误差检定”和“密封性检查”、“外观和功能检查”等三方面。除了密封性、外观和功能检查外，检定项目中涉及水表计量性能指标的只有示值误差这一项，这对机械类水表而言是完全能够满足评价要求的;但对电子类的超声水表，如果其设计不合理、电声转换器件和计时芯片选用不当、相关参数匹配不佳、数据处理方法有瑕疵等，就会出现局部计量性能随时间发生显著变化的问题。因此在水表检定和出厂检验时，仅用示值误差单次测量结果来评定电子类水表计量性能是否符合要求是不够充分的，为此应补充能反映电子类水表测量重复性和测量复现性的辅助指标，来更加全面评价这类新型电子水表的计量性能。

二. 零流量特性的分析

在检验超声水表计量特性时，会发现个别水表放置一段时间后小流量测量区域的示值出现变化的现象，有的甚至超出标准规定的最大允许误差的范围;也有些水表多次重复测量结果的分散性较大，导致单次测量结果的可信度下降。表1 是某型号DN100、R250 超声水表示值误差随时间发生变化的情况，表2 是同一超声水表多次重复测量的结果，图2 是将表1数据按时间坐标进行图示化处理。从表和图中可以看到，存在设计和制造缺陷的超声水表如果仅做单次示值误差测量，是很难发现其计量性能变化隐患的。

导致超声水表出现计量性能随时间变化或多次测量不一致的主要原因是个别水表存在有“零漂”或“零点不稳定”的现象。当被测管道内流量为零时，根据式(1)和式(2)，超声水表的传播时间差为零，水表输出也应为零。但如果设计、制造中存在有缺陷，水表在零流量条件下的输出实际并不为零，主要会出现如下三种情况:1)零位数据不为零，但恒定偏离某一值;2)零位数据在一定区域内作随机变化，且以平稳随机过程为主;3)零位数据除了作随机变化还含有随时间长期变化的趋势项。对第一种情况，可以在零流量情况下进行一次性校正，就可基本消除所谓“零漂”的影响;第二种情况，应将含有“零漂”的测量数据作大数据量的均值化处理，并以统计值作为测量结果。数据的均值化处理，可以大大削弱因随机特征引起的“零点不稳定”，但同时也会影响超声水表测量的实时性;第三种情况，5大数据量均值化处理只能消除随机变化的影响，但对由趋势项引起的时间漂移则无能为力。因此，对这种情况只有两个选择，第一是选用性能更好地精密计时芯片和元器件，其次是压缩超声水表的测量范围，使零漂趋势项对测量的影响程度降到最低点。

三. 抑制“零漂”影响的主要方法

抑制“零漂”影响可以从以下几个方面着手:

1)分析造成超声水表零流量特性劣化的各类内、外部影响因素;

2)选择合理的设计方法与指标;

3)控制外部测量环境，使其符合参比或额定条件;

4)超声换能器输出幅值应长期稳定并配对工作;

5)时间测量终止点的阈值设置应符合设计要求，并留有冗余度;

6)发射激励与接收信号时，换能器压电元件应处于无振动静止状态;

7)采用零流量输出值极低的精密计时芯片(如零流量输出值至少应小于±0.5mm/s);

8)测量结果应进行大数据量的优化均值处理;

9)超声水表测量管及相关零部件应进行稳定性时效处理等。

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