依据 GB/T 32224—2020《热量表》最新国家标准
【摘 要】
针对超声波热量表在含气泡介质中出现的计量偏差问题，基于 GB/T 32224—2020《热量表》对计量准确度的严格要求，本文从声学传播机理出发，分析气泡对时差法测量的干扰机制，系统阐述多声道冗余、自适应增益控制、数字信号处理及管路优化等补偿方法，为工程实践提供技术参考。
【关键词】
超声波热量表；含气泡介质；计量偏差；时差法；GB/T 32224—2020
1 引言
超声波热量表因无机械磨损、量程比宽、压损小等优势，在集中供热、换热站、楼宇冷热计量中应用日益广泛[1]。然而在实际工况下，管道积气、负压析出、补水中溶解气体逸出等均会引入气泡，造成热量表计量偏差，严重时甚至失锁无读数。
GB/T 32224—2020《热量表》规定 2 级表最大允许误差为：
Eh = ±(3 + 4·Δtmin/Δt + 0.02·qp/q) %
式中 Δtmin 为最小温差，Δt 为使用范围内的温差，qp 为常用流量，q 为使用范围内的流量。含气工况下仪表常难以达到该限值要求[2]。因此，研究含气泡介质中的计量偏差补偿方法，对保障热量贸易结算的公平性、提升能源计量的可靠性具有重要意义。
2 超声波时差法测量原理
超声波热量表普遍采用时差法测量流量。如图 1 所示，在管道两侧对称安装换能器 A 和 B，超声波沿与流向成 θ 角的声程 L 传播。顺流传播时间 t₁ = L / (c + v·cosθ)，逆流传播时间 t₂ = L / (c − v·cosθ)，其中 c 为介质声速，v 为流体线平均流速。流速可按下式计算：
v = L·Δt / (2·t₁·t₂·cosθ)
式中 Δt = t₂ − t₁。结合管道截面积 S 即可得到体积流量 Q = v·S，再由供回水温度 T₁、T₂ 及流体比焓，按公式 Q = ∫ρ·cp·ΔT·q dt 计算累积热量；水介质的密度与质量焓值由 GB/T 32224—2020 附录 A 给出[2]。
3 气泡干扰的物理机理
水与空气的声阻抗 Z = ρ·c 相差悬殊：20 ℃ 水 Z₁ ≈ 1.50×10⁶ Pa·s/m，空气 Z₂ ≈ 4.07×10² Pa·s/m，相差近 4 个数量级[3]。超声波由水射向气泡时，在气液界面发生强烈反射，其声压反射系数为：
R = (Z₂ − Z₁) / (Z₂ + Z₁)
代入数值可得 |R| ≈ 99.95%（图 2），即绝大部分声能被气泡反射或散射，仅有约 0.05% 透射穿过气泡。
由此带来三类物理效应：
（1）强烈反射与散射：使得到达接收换能器的信号幅值急剧衰减，信噪比恶化；
（2）声速路径畸变：声波绕射气泡导致传播路径延长、传播方向偏折，直接破坏时差法的几何假设；
（3）等效声速下降：气泡群降低了截面平均声速，仪表内置的纯水声速模型出现系统性偏差。
4 计量偏差的量化表现
气泡含量对计量精度的影响呈非线性：当体积含气率低于 0.1% 时，偏差通常在 ±1% 以内；含气率达 0.5% 时，偏差可扩大至 ±3%–5%；含气率超过 1% 后，单声道时差法仪表易出现信号失锁、瞬时流量大幅跳变、零点漂移等现象[4]。偏差方向亦不稳定，受气泡分布、尺寸、流动状态共同影响，难以通过单点修正消除。
5 计量偏差补偿方法
围绕"信号获取—信号处理—几何布置—源头治理"四个层面，可采取以下补偿策略。
5.1 多声道冗余测量
采用双声道或四声道管段式结构，在同一截面布置多条声路（如图 4 所示）。各声道分别采集流速后，由积算仪依据信噪比、幅值稳定性等指标进行加权平均或剔除异常数据。该方法在含气率不超过 1% 的循环水、软化水工况下，可将计量精度维持在 ±0.5%–±1.0% 范围[5]。
5.2 自适应增益控制（AGC）
AGC 模块根据接收信号幅值动态调整前级增益：当气泡导致信号衰减时自动加大放大倍数；信号过强时则降低增益以防饱和。配合过零检测与使能窗技术，可避免将气泡反射的杂波误判为有效信号，提升检测灵敏度与稳定性[6]。
5.3 数字信号处理算法
引入 FIR 数字滤波、小波变换、神经网络等算法，可有效分离气泡噪声与有效信号。例如，基于 db6 小波的三级分解能精准识别 15–50 kHz 频段内的气泡特征分量；LSTM 神经网络对连续流量数据的训练识别准确率可达 94.7%，误报率较传统方法降低 41%[7]。多脉冲发射+逐脉冲增益调整技术，可使接收信号以"上一脉冲的幅值"作为下一脉冲的增益基准，显著降低随机气泡的影响。
5.4 安装与管路优化
源头治理是降低气泡干扰最有效的手段。应将仪表安装在管道上升段或垂直管段（流体自下而上），远离高点积气；上游加装消气器或气液分离器，配合高点排气阀定期排气；并保持上游 ≥10D、下游 ≥5D 的直管段，远离弯头、阀门、泵等扰动源[8]。
6 标准要求与工程实践
GB/T 32224—2020 在 2015 版基础上新增了"流动扰动测试"（6.14、7.15）项目，要求热量表在规定流动扰动条件下仍满足相应准确度等级的最大允许误差限值，强化了对安装敏感性的考核[2]。该测试与气泡干扰补偿能力直接相关，已成为 2 级及以上热量表型式评价的必检项。
工程实践中，符合 GB/T 32224—2020 与 EN 1434—2016 双重标准、采用多声道冗余设计并集成 AGC 与 DSP 自适应算法的大口径超声波热量表（如真兰 zelsius® WR3-IUF 系列），在楼宇供热、换热站等复杂工况下，可在小流量与受污染水质条件下保持 2 级计量精度稳定输出[9]。
7 结语
气泡是超声波热量表计量准确性的重要干扰源。通过"源头治理（管路优化）+ 硬件冗余（多声道）+ 信号处理（AGC / 滤波 / AI 算法）+ 严格遵循 GB/T 32224—2020 流动扰动测试"的多层次补偿体系，可将含气泡工况下的计量偏差控制在工程可接受范围。随着相控阵、深度学习算法的进一步发展，复杂工况下的智能化自适应补偿将成为未来重要研究方向。
参考文献
[1] 林文卓, 王树铎. 国内户用超声波热表技术分析[J]. 供热计量, 2018.
[2] GB/T 32224—2020, 热量表[S]. 北京: 中国标准出版社, 2020.
[3] 冯若. 超声手册[M]. 南京: 南京大学出版社, 2001.
[4] 张宇, 等. 超声波流量计误差因素与技术研究进展[J]. 计测技术, 2023, 43(6): 1-9.
[5] Smith J, et al. Adaptive threshold compensation for ultrasonic flowmeters under bubbly flow[J]. Flow Measurement and Instrumentation, 2021, 82: 102071.
[6] 王建华. 超声波燃气表计量信号自动增益处理装置: CN202210458946.7[P]. 2022.
[7] Chen L, et al. LSTM-based bubble detection in ultrasonic heat meters[J]. IEEE Sensors Journal, 2023, 23(15): 17234-17243.
[8] ISO 4064-1:2014, Water meters for cold potable water and hot water — Part 1: Metrological and technical requirements[S].
[9] ZENNER. zelsius® WR3-IUF 大口径超声波冷/热量表技术样本[Z]. 2021.
