JJF(京)80-2021北京市水资源大口径流量计在线检测技术规范

JJF(京)

中华人民共和国地方计量技术规范

JJF（京）80-2021

水资源大口径流量计在线检测

OnlineTestofLargePipeFlowmeterUsedfor

WaterResourceManagement

2021-4-2发布2021-5-2实施

北京市市场监督管理局发布

JJF（京）80-2021

水资源大口径流量计在线检测

1范围

本技术规范适用于采用多声道导声柱塞超声法对水资源大口径（DN300及以上）流量计进行

现场检测。

2引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本

文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

JJF1358-2012非实流法校准DN1000~DN15000液体超声流量计校准规范

GB/Z35717-2017水轮机、蓄能泵和水泵水轮机流量的测量超声传播时间法

ISO12242-2012封闭管道中流体流量的测量液体超声传播时间法（Measurementoffluid

flowinclosedconduits—Ultrasonictransit-timemetersforliquid）

3术语与定义

3.1多声道导声柱塞超声法multi-pathultrasonicmethodwithwaveguideplug

在现场管道上精确定位开孔后安装导声柱塞，超声探头透过导声柱塞发射和接收声波，并采用

多声道流量积分模型计算流量的流量检测方法。

3.2声道ultrasonicpath

超声在成对的超声探头间传播的实际路径。

注：声道有时也称为声路。

3.3声道层ultrasoniclayer

声道高度相同的两个声道所在的层面。

3.4声道面ultrasonicplane

声道角相同的一组声道所在的流道斜截面。

3.5声道长度ultrasonicpathlength

成对探头之间超声在水介质中传播的实际距离。

3.6声道角ultrasonicpathangle

声道与流道轴线之间的夹角。

3.7声道高度ultrasonicpathheight

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声道相对于流道中心的高度，其绝对值为声道与流道轴线之间的最短距离，通常以流道中心以

上为正值，以下为负值，正好过流道中心的为零。

4概述

水资源大口径流量计用于城镇输供水领域，常用电磁流量计、超声流量计等，涉及的贸易结算

额很大。由于停水拆装困难，通常无法到实验室送检，只能进行在线检测。传统方法采用外夹式超

声流量计提供现场标准值，操作简单但不确定度较大；本规范采用多声道导声柱塞超声法可大幅提

高现场标准值的不确定度水平。

多声道导声柱塞超声法基于超声传播时间法，基于几何量、时间量和流量积分模型可以直接得

到流速和流量，是一种绝对测量方法。为了测量准确和量值溯源，该方法首次应用时需要在管道上

开孔，开孔后用专用导声柱塞等方法密封，确保不漏水，后续可按用户需求方便的进行周期性在线

检测。管道开孔安装导声柱塞，并进行几何参数精测后，称为超声标准管段，与超声测流装置合起

来作为现场流量标准器。

该方法的优势一是流量拆解为流速和面积，流速探头直接接触水，方便向实验室溯源；二是现

场探头定位基于三维坐标测量设备，几何参数准确；三是多声道配置可以获得流道内不同位置的流

速信息，结合好的流速代表性算法，即使流速分布较为复杂，也可得到有效的平均流速和流量。

图1现场布置示意图

5检测设备要求

5.1超声标准管段

超声标准管段的前后直管段长度宜满足前10D后3D，不满足时宜采用数值仿真进行修正。

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超声标准管段至少采用4声道配置，可增加声道来提高复杂流场条件下的流速代表性。

超声标准管段应采用斜开孔方式，导声柱塞直径宜小于15mm，以降低探头局部扰流的影响。

超声标准管段应具备有效的几何参数，包括管径、声道长度、声道角、声道高度等。

5.2超声测流装置

超声测流主机应具备信号质量分析能力，可显示各声道接收到的超声波形，波形采样率不小于

32MHz，且具有信号强度和波形相关程度指标。

超声测流主机应具备流速分布廓形显示能力。

超声测流主机应针对每个检测现场工况建立包含所有参数的配置文件，以便复检时直接引用。

超声测流主机中的流量积算模型应为公开模型（高斯-雅克比模型、OWICS模型等），积算模型

中应体现实测的声道高度。

超声探头频率应不小于1MHz，并适配于超声标准管段上的导声柱塞。

5.3质量保证要求

超声测流装置应通过静水拖曳法流速测试，扩展不确定度优于0.5%。

超声测流装置零点日稳定性应优于1ns。

超声测流装置应利用实流实验建立不同口径下导声柱塞局部扰流的修正系数表。

6在线检测方法

6.1超声测流装置安装及调试

1.现场检查超声标准管段状态，特别是导声柱塞有无磕碰；

2.按照导声柱塞编号，将超声探头安装到对应的位置，并连接主机和探头之间的线缆；

3.超声测流主机开机，并导入对应该现场的配置文件；

4.检查超声波形质量，确认各声道处于正常工作状态；

5.检查声道轴向流速分布、声速分布、流量等显示的合理性；

6.确认被检表处于正常工作状态，且数据可记录。

6.2流量示值误差测试及结果表达

根据现场条件，调节若干个流量测试点，以装置流量为标准，分析各点的流量示值误差。

流量点应不少于3个，能够覆盖该管道通常工作的流量范围，且均匀分布。每个流量点测量时

间不少于10分钟，每个流量点测量不少于5次。如现场不具备流量实时调节的条件，可连续监测

一昼夜的流量变化，同步记录被测表流量和装置流量，再分段分析流量不同的示值误差。

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示值误差计算公式如下，

qi−qsi

Eqi=100%（1）

qsi

式中：Eqi—第i次检测的示值误差，%；

3

qi—被测仪表第i次测量有效时间内的瞬时流量平均值，m/h；

3

qsi—标准装置第i次检测有效时间内的瞬时流量平均值，m/h。

E

取n（n≥3）次示值误差的算术平均值qi作为最终检测结果。检测结果的重复性按照公式（2）

计算：

n

2

(Eqi−Eqi)

s(E)=i=1（2）

qn−1

式中：s(Eq)—流量重复性，%；—流量平均示值误差，%。

7复检时间间隔建议

复检可在首次检测提供的超声标准管段基础上进行，无需二次打孔。

建议复检时间间隔为1年。

4

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附录A

超声传播时间法测流原理

超声传播时间法通过测量超声在流体中传播的时间来计算流体的流速和流量。如图2a)所

示，一对探头以声道长度L、声道角安装在流道两侧，流体中超声传播速度C会与声道投影流

VVproj=cos

速叠加，造成超声从下游到上游探头的传播时间tu大于从上游到下游探头的传播时间

td，

tLCV=−

uproj()=−VttLprojdu(112)

tLCV=+CttL=+(112du)

dproj()（3）

由式（3）可以同时得到声道投影速度vproj和声速C，进

而可以得到声道轴向流速：

VprojLLt11

V==−=

cos2cos2costttt

dudu（4）

=ttt-

式中，超声传播时间差ud，是超声传播时间法的关键测量参数。声道轴向流速的计算不依

赖于声速，介质成分及温度、压力的变化不会直接影响流速的测量结果。

B

z

φ

V

D

L

A

a)声道轴向流速的测量b)用多个声道积分计算流量

图A.1超声传播时间法原理示意图

为了得到准确的管道平均流速，需要在不同的声道高度zi上平行布置若干声道，如图2b)所示，

每条声道的声道轴向流速Vi代表其上下的一定面积内的平均流速，利用多个声道轴向速度Vi更好的

估计流道的面平均流速V，进而得到流量。

QAVA==fVVV(12,,,N)（3）

式中：

A——流道断面面积；

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N——声道数。

附录B

不确定度评定（示例）

B.1数学模型

测流装置通过在测流截面上布设多对探头，得到若干条声道线上的声道轴向速度，然后根据各

声道权重不同用加权积分的方法计算出流量。

NLtt-

2iu,d,ii（）

QRW=2iA.1

i=12cosiiittu,d,

式中：

Q----流量；

R----测流截面管道半径；

N----声道数量；

Wi----第i声道的流速权重系数；

Li----第i声道的声道长度；

φi----第i声道的声道角；

tu,i----第i声道的超声逆流传播时间；

td,i----第i声道的超声顺流传播时间。

测流装置的流量由几何参数、时间参数、面平均流速计算等三部分计算得到，因此，测流装

置的不确定度主要源于几何参数测量、时间及时间差测量、扰流影响，这也是照测流装置的三大

要素。各分项分别评估后，按照均方根求和方法可以评估测流装置总的不确定度。

B.2不确定度来源参考示例

钢管直径1.2m，内部平均流速在1.7m/s附近。采用双面4声道配置，声道角为45度，导声柱

塞直径14mm。在现场斜开孔工艺完成后，利用关节式测量臂对超声测流管段的几何参数进行了精

测，并将相关参数输入测流主机，获得了标准流量。标准流量的不确定度评估如下：

6

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序号不确定度来源XiuX(i)uXri()CiuXrii(C)

1内半径/mm6000.630.11%20.21%

几何参数

2声道长度/mm10000.280.03%10.03%

赋值

3声道角/°