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一、簡介

1.超聲波在水中傳播的速度與流速的關(guān)系

在被測管道的上、下游兩側(cè)安裝兩個(gè)換能器A、B。兩個(gè)換能器交替作為超聲波信號的發(fā)送器或者接收器使用，假設(shè)超聲信號從A順流傳播到B所需時(shí)間為t1，從B逆流傳播到A所需時(shí)間為t2，逆流和順流時(shí)間差可表示為

式中:L——換能器A、B之間的距離；c——聲波在靜止流體中的傳播速度；v——流體沿管道軸向的速度；θ——聲束進(jìn)入流體介質(zhì)的折射角。

逆流方向和順流方向超聲波傳播時(shí)間差為

由于v《c，流體的流速為

可見，超聲波熱量表的流速與超聲波速度的平方成正比。

2.聲速與水溫的關(guān)系

通過大量的研究表明，超聲波是對介質(zhì)溫度變化較為敏感的一個(gè)物理量，水中聲速隨水溫升高而變大，如圖1所示，在20℃～55℃聲速變化較緩慢，55℃～73℃聲速變化較快。這也是JJG225-2001《熱能表檢定規(guī)程》規(guī)定的水箱溫度(50±5)℃的原因。

圖1  蒸餾水中超聲波速度與水溫的關(guān)系

二、熱量的計(jì)算

超聲波熱量表的流速與超聲波速度的平方成正比，超聲波的聲速又隨著水溫的升高而變快。也就是說，超聲波熱量表的流速隨著溫度的升高速度變快。在流速檢測時(shí)，溫度傳感器一端必須插在表體內(nèi)，流量傳感器才能準(zhǔn)確測出流速。而根據(jù)JJG225-2001熱量的計(jì)算公式為

式中:Q——釋放(或吸收)的熱量，kJ；qm——流經(jīng)熱量表中載熱液體的質(zhì)量流量，kg/s；Δh——熱交換系統(tǒng)中入口溫度(或出口)與出口溫度(或入口)對應(yīng)的載熱液體的比焓差，kJ/kg；t——時(shí)間，s。

從式(3)可以看出要測得超聲波熱量表釋放多少熱量，同時(shí)要測出流量和溫度。熱能表檢定裝置一般采用靜態(tài)質(zhì)量法作為流量的標(biāo)準(zhǔn)，將兩支標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻分別放在高溫槽和低溫槽，測量溫差，作為溫度的標(biāo)準(zhǔn)。然后根據(jù)公式得出熱量。超聲波熱量表這種同時(shí)檢測流量和溫度的總體熱量的檢定方法顯然是不行的。

三、檢測方法探討

根據(jù)JJG225-2001中的k系數(shù)法

Q=∫V0k×Δθ×dV(4)

式中:Q——釋放(或吸收)的熱量，kJ；k——熱系數(shù)，它是載熱液體在相應(yīng)溫度、溫差和壓力下的函數(shù)，J/m3℃或kW·h/m3℃；Δθ——熱交換回路中載熱液體入口處和出口處的溫差，℃；ΔV——載熱液體流過的體積，m3。

式(4)可簡化為

Q=k×Δθ×ΔV=k×Δθ×Δm/ρ(5)

式中:Δm——載熱液體流過的質(zhì)量；ρ——密度。

先進(jìn)行溫差的測量。將熱能表鉑電阻放在恒溫槽(高溫槽)和恒溫槽(低溫槽)內(nèi)測量溫差，同時(shí)通過標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻測量得到標(biāo)準(zhǔn)溫差，于是得到熱能表溫差測量的誤差；然后進(jìn)行流量的測量，將鉑電阻放回?zé)崮鼙眢w內(nèi)，此時(shí)無法進(jìn)行熱能表的溫差測量，只能進(jìn)行熱能表的流量測量，同時(shí)通過熱能表檢定裝置，得到標(biāo)準(zhǔn)流量，于是得到熱能表流量測量的誤差。最后根據(jù)式(5)將流量與溫度合成計(jì)算出熱量，得到熱量的誤差。同時(shí)也可以檢測熱量表內(nèi)的計(jì)算公式是否正確。隨著現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步，熱量表生產(chǎn)廠家內(nèi)置溫度傳感器，對流量進(jìn)行修正，也可進(jìn)行總量法檢定。

四、結(jié)束語

文章介紹了超聲波熱量表的原理及檢測方法，給出了流速推導(dǎo)公式，采用靜態(tài)質(zhì)量法為標(biāo)準(zhǔn)，對流量進(jìn)行檢測；用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻進(jìn)行溫度檢測，因?yàn)樯婕皽囟葘α髁康男拚缘贸霾荒芡瑫r(shí)檢測，要進(jìn)行分量檢測。但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，有內(nèi)置的溫度傳感器對流量進(jìn)行修正，也可總量檢測，最后算出總量的誤差。