一、简介

1.超声波在水中传播的速度与流速的关系

在被测管道的上、下游两侧安装两个换能器A、B。两个换能器交替作为超声波信号的发送器或者接收器使用，假设超声信号从A顺流传播到B所需时间为t1，从B逆流传播到A所需时间为t2，逆流和顺流时间差可表示为

式中:L——换能器A、B之间的距离；c——声波在静止流体中的传播速度；v——流体沿管道轴向的速度；θ——声束进入流体介质的折射角。

逆流方向和顺流方向超声波传播时间差为

由于v《c，流体的流速为

可见，超声波热量表的流速与超声波速度的平方成正比。

2.声速与水温的关系

通过大量的研究表明，超声波是对介质温度变化较为敏感的一个物理量，水中声速随水温升高而变大，如图1所示，在20℃～55℃声速变化较缓慢，55℃～73℃声速变化较快。这也是JJG225-2001《热能表检定规程》规定的水箱温度(50±5)℃的原因。

图1  蒸馏水中超声波速度与水温的关系

二、热量的计算

超声波热量表的流速与超声波速度的平方成正比，超声波的声速又随着水温的升高而变快。也就是说，超声波热量表的流速随着温度的升高速度变快。在流速检测时，温度传感器一端必须插在表体内，流量传感器才能准确测出流速。而根据JJG225-2001热量的计算公式为

式中:Q——释放(或吸收)的热量，kJ；qm——流经热量表中载热液体的质量流量，kg/s；Δh——热交换系统中入口温度(或出口)与出口温度(或入口)对应的载热液体的比焓差，kJ/kg；t——时间，s。

从式(3)可以看出要测得超声波热量表释放多少热量，同时要测出流量和温度。热能表检定装置一般采用静态质量法作为流量的标准，将两支标准铂电阻分别放在高温槽和低温槽，测量温差，作为温度的标准。然后根据公式得出热量。超声波热量表这种同时检测流量和温度的总体热量的检定方法显然是不行的。

三、检测方法探讨

根据JJG225-2001中的k系数法

Q=∫V0k×Δθ×dV(4)

式中:Q——释放(或吸收)的热量，kJ；k——热系数，它是载热液体在相应温度、温差和压力下的函数，J/m3℃或kW·h/m3℃；Δθ——热交换回路中载热液体入口处和出口处的温差，℃；ΔV——载热液体流过的体积，m3。

式(4)可简化为

Q=k×Δθ×ΔV=k×Δθ×Δm/ρ(5)

式中:Δm——载热液体流过的质量；ρ——密度。

先进行温差的测量。将热能表铂电阻放在恒温槽(高温槽)和恒温槽(低温槽)内测量温差，同时通过标准铂电阻测量得到标准温差，于是得到热能表温差测量的误差；然后进行流量的测量，将铂电阻放回热能表体内，此时无法进行热能表的温差测量，只能进行热能表的流量测量，同时通过热能表检定装置，得到标准流量，于是得到热能表流量测量的误差。最后根据式(5)将流量与温度合成计算出热量，得到热量的误差。同时也可以检测热量表内的计算公式是否正确。随着现代技术的进步，热量表生产厂家内置温度传感器，对流量进行修正，也可进行总量法检定。

四、结束语

文章介绍了超声波热量表的原理及检测方法，给出了流速推导公式，采用静态质量法为标准，对流量进行检测；用标准铂电阻进行温度检测，因为涉及温度对流量的修正，所以得出不能同时检测，要进行分量检测。但是随着技术的进步，有内置的温度传感器对流量进行修正，也可总量检测，最后算出总量的误差。