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    流量计现场在线计量校准方法
    发布时间:2019-03-05

    摘要:针对水量计量流量计无法离线送检的情况,考察了流量计一在其他行业的在线校准方法、国内外研究现状及应用前景,分析了现场校准方法与装置的基本原理和特点。利用便携式超声流量计准确度高、安装方便的特点,提出了基于现场比对方法用于水利行业开展校准技术研究,并重点阐述便携式超声流量计用于液体流量计实流在线校准的技术要求、测量过程和计算方法r可为今后有效开展计量校准工作提供切实可靠的基础,为水利行业取水计量的量值溯源提供技术保证。
    1流量计的计量与校准
      水量计量是进行水资源宏观调控和微观管理的重要基础性技术措施,但以往水利行业计量工作基础薄弱,涉及水量计量的有关技术标准、标准化装置、量值传递和溯源问题十分突出。我国拥有大量的流量计测仪器,而普遍缺少校准设备,尤其是管道流量计的在线校准与检定规程在水利行业还是一个空白,计量的准确性和权威性问题PR待解决。根据国家强制性标准《用能单位能源计量器具配备和管理通则》(GB17167-2006)的要求及相关的计量法规,作为结算的流量计,都需要进行周期检定。但是,法规中的检定周期并不能保证在用流量计的准确性。由于使用场合和介质的复杂性,很多流量计还没有到检定周期就已经超差,因此需要通过采用现场校准的核查方式来保证流量计量的准确性。
      校准(calibration)有时也称标定或校验。以前流量仪表业内对流量值传递性质的校准习惯用“标定”,水工业内习称“率定”,用户对判别准确度性质的校准过程称为“校验”,现在这些名称渐趋一致,改用“校准”。流量计的流量校准有直接测量法和间接测量法两种方法,校准方式分为离线和现场在线检测两种方式。
      直接测量法亦称实流校准法,以实际流体流过被校验仪表,再用别的标准装置(标准流量计或流量标准计量器具)测出流体的流量与被校仪表的流量值作比较,也称为湿法标定(wetcalibration)。实流校准法获得的流量值既可靠又准确,为目前许多流量仪表(如广东高手公式规律网址、容积式流量计、广东高手公式规律网址等)所采用,而且作为检测标准流量的方法。制造厂在流量计出厂前均以实流校准法在流量校准标准装置(有时简称流量标准装置或流量校准装置)上完成流量量值传递过程。流量校准标准装置是按照有关标准和检定规定建立的,并由国家授权的专门机构认定,能作流量量值传递的装置,是提供流量量值的校准设备,其量值可溯源到质量、时间和温度的国家计量基准量。从计量学意义上,在线实流校准最符合准确性、一致性、溯源性和实验性等计量特点。
      干法校准是一种间接校准法,是以测量电磁流量传感器的流通面积、结构尺寸和磁通密度B等参数来计算流量值。干法校准是在20世纪70年代以解决大口径电磁流量计无法实现实流校准的校准方法,在日本曾作为工业标准《应用电磁流量计测量流量的方法》这类专用仪器的应用现在已从水行业扩展到石油北工等流程工业。
      目前国内对干法校准进行了一定的研究,如浙江大学重点分析了涡电场测量法与面权重函数法两种新型干标定方法的测量原理、特点及实现方法;上海地区探索和制定了“在线检验法”,积累了多台大口径电磁流量计检查经验,正在制订《电磁流量仪在线校验规范》地方行业性标准’广州市自来水公司还起草了中华人民共和国城镇建设行业标准《管道式电磁流量计在线校准规程》(征求意见稿)41,等等。但是干法校准多用来检修或判别电磁流量讨一传感器有关技术参数的变化对测量精度的影响。因为这种方法不直观,不能直接反映管道的中水流量。
    2现场校准方法与装置
      在江河湖泊的管道取水计量设备主要采用电磁流量计或超声波流量计,而检测流量的传感器(包括涡轮、差压、容积和质量等其他类型的流量计)安装在管道内,不便于拆卸或受工况的影响根本无法拆卸,如大型输水管不允许停水,大口径流量计设备安装复杂,体积大、重量大难以运输送检等。流量计广泛应用于水量计量和公用事业,按规定必须在受控状态下运行和定期校准。如何对越来越多的大管径、大流量的液体流量计进行现场在线实流校准,成为一个意义重大的问题。因此,水利行业开展现场在线校准技术研究是很有必要的,也是非常具有挑战性的任务。
      流量计的现场校准和验证实际上是在现场针对流量测量系统(包括流量计、前后连接管道、介质流动状态等)的检测运作,目前我国尚没有明确的在线检定的计量法规,现场在线校准方法与技术研究有望为流量计在线检定开拓出一个可供借鉴与参考的有效途径。
    2.1现场校准方法与常用标准装置
      目前采用现场在线校准的方法有流量标准装置法和示踪法,流量标准装置法又分为固定安装的基地式和移动式,其体系如图1所示。
    2.1.1基地式流量标准装置
    (1)标准体积管。一般采用一套体积管流量标准装置和相应的切换闸阀,就可实施流量计的定时轮换在线校准。如图2所示,关阀1,开阀2,流体经待校流量计后进人标准体积管实现在线校准。国内原油贸易计量基本实行了这种方法。
    (2)标准流量计。固定安装标准流量计系统组成与图2相似,只是用标准流量计替代图中的标准体积管。很明显,基地式流量标准装置需要在管道上预留较多的连接管线和切换控制闸阀等辅助设备,有些类型流量计购置费较低,但其辅助设备费用会大大超过流量计本身购置费,这种现场校准装置实际上在大部分取排水管道上是不具备的。
    标准体积管在线校准流量计图示
    2.1.2移动式流量标准装置
      移动式与基地式的基本相同,只不过标准装置是由专用的汽车或拖车装载,移动式车载流量标准装置灵活性高,到现场检定方便,但装置设备费用较高。
    2.2示踪法
      在现场应用示踪法校准流量计国际上已相当成熟,早在20世纪70年代就颁发了国际标准ISO2975一(1一7)《封闭管道中水流量测量—示踪法》,标准规定了用放射性示踪剂或非放射性示踪剂的实施方法和要求。示踪法测量的基本工作原理有两类:一是恒速注人法(也有称稀释法),是在管道的液体中恒速注人示踪剂,然后测量示踪剂沿管道长度方向的稀释比例,按扩散稀释理论计算流量;二是示踪剂瞬时注人,然后测量示踪物流经一段距离所需的时间计算流量,称为传输时间法。传输时间示踪法也使用于明渠流、非满管流或疑有沉淀物的满管流的流量校准。
      近些年国内也在探索示踪法,试图在线校准大口径水流量计。大庆石油工业计量研究所在实验室以化学示踪剂(ZnCl,)和同位素示踪剂(锢一113m)传输时间法验证实施的可行性,证明同位素示踪剂效果较好。
    但是,化学试剂和同位素示踪剂污染环境,破坏水质,在水行业一般很少采用。
    2.3现场比对法
      现场“流量比对”是指流量计在现场与其他“参照流量”进行比较,例如临时夹装的超声波流量计的测量值、流人管系中已丈量过容量的液体体积等都可作为“参照流量”。关于现场校准、比对和验证等名词的含义,可参看相关文献的标准定义,不再赘述。实践中许多专业人员探索出多种现场比对的方法和间接检查方法,主要有以下3种类型:
    (1)利用流程中存储容器、工作容器、水池或衡器的容器衡器法比对。水池容积比对法是供水企业经常采用的方法,制水厂利用大容积清水池的有利条件,可获得较高的比对精度。
    (2)在待测流量计的管线预留位置,以备接人参比流量计的流量计比对法。
    (3)外敷式超声换能器的超声流量计比对法。外敷式亦称外贴式、外夹式、捆绑式,超声波流量计是流量测量最有发展前途的三种途径之一:特别是国外已有产品测量精度误差<土0.5%,这有利于高精度的对比检测与现场在线校准系统的建立,方便计量检定部门到现场校准检测。
    3运用便携式超声波流量计实现在线校准
      利用便携外敷式换能器超声流量计比对使用中的流量计,在供水业应用十分普遍。便携式超声波流量计既是一种外敷式又是一种便携式的流量计量器具,比较适用于大口径流量计的现场在线检测和校准,可供水利行业的相关检测参考借鉴。这里对有关的原理、方法和设备等进行归纳和阐述。
    3.1外敷式换能器超声流量计比对法原理
      其原理是:将准确度较高的便携式超声波流量计作为标准器具,安装在被测管道上进行检测,然后将测量值和被检流量计的采集数据进行比对,根据比对结果计算被检流量计的误差,误差二(测量值一标准值)/标准值,再利用计算的相对误差调整被检流量计的系数,使被检流量计与便携式超声波流量计显示流量数据一致,以达到校准被检流量计的效果。
    3.2标准流量计的技术要求
      在线校准采用的便携式超声流量计应具有国家法定计量检定机构出具的检定证书,便携式超声流量计的安装、使用应严格按其操作使用说明书进行,应符合《超声流量计检定规程》(JJG1030-2007)附录D的要求}lo;。
    在线校准用的其他辅助设备,如卷尺、测厚仪、秒表等计量器具均应具有有效的检定证书,被校流量计应附有使用说明书,周期校准的流量计还应有前次的校准证书。现场校准时温度、湿度、外界磁场、机械振动等环境条件,应符合开展现场校准的环境条件要求,同时明确测量介质及工作状态、介质温度等工况参数,了解被校流量仪表工作状态和参数设置,确认可以开展现场校准。
    3.3测量过程及计算方法
    (1)管径测量。用量具分别在换能器安装位置附近的同一截面上大致等角分布测量n次外直径,或测量几次外周长推算出外直径,其平均值D按式(1)计算:

    式中:n为测量次数,n≥4;D为第i点测得的管道外直径或推算出的外直径。
    (2)壁厚测量。在换能器安装位置均布5个点,使用测厚仪测量管道壁厚,并取其平均值。对无法测量的参数,如管道材质、衬里材料、厚度等,根据现场技术资料查明并确认。
    (3)标准表安装。将上述管道参数输人标准表内,得出换能器安装距离。在安装标准表管段上画线定位,确定换能器的位置。清理已定安装位置附近的管壁,将管壁上的油漆、铁锈、污垢等清除干净,露出管道材质,打磨光滑。在换能器表面均匀涂以祸合剂,换能器上标志对准安装位置,使其发射面与管壁紧密接触,并固定在管道上。将换能器信号传输电缆连接到转换器上,按要求将信号调试到最佳状态。
    (4)计量性能校准。在一定的时间内分别读取被校流量计和标准表的流量示值,分别按式(2)~式(4)计算被校流量计的示值误差和重复性:

      式中:E。为流量计每个流量点每次校准的相对示值误差;qij为第i流量点第j次校准时的流量计示值(瞬时值或累积值);(qs)。为第i流量点第j次校准时的标准表示值(瞬时值或累积值);Ei为被校流量计第i流量点示值误差;(Er):为被校流量计第i流量点重复性。
      流量点一般选择1~3个,每个流量点校准3次。每次校准时,同时读取并记录流量计和标准表的示值,比对标定法必须保证比对过程中时间的同步。若读取的数值为瞬时值,则至少读取20个数值,取其平均值;若读取的数值为累积值,则应保证大于最小读数的1000倍或读取至少20min。的累积值。
      便携式超声波流量计在实际应用中具有不可替代的优势:可实现不断流测量,设备体积小,便于携带,安装方便;外敷式探头,不干扰流场,无压力损失;仪表无可动及易损部件,稳定性好;适用范围广,可用于各种类型流量计的在线比对;适应性强,可用于不同管径、不同介质(高温、高压、易爆、高勃度、强腐蚀、放射性高)的比对,标准表价格基本与所测管径无关,性价比高。
      但是,便携式超声波流量计受其自身测量方式的限制,测量精度受到很多外界因素的影响,人为因素对测量的影响较大,对专业检测人员的技术性和经验性要求很强、操作要求很高,还需要在实践中进一步积累经验,形成技术规范。
    4结论
      现场校准方法是计量技术发展的趋势,特别是运用便携式超声波流量计开展在线流量计的校准是可行的方法,能极大地方便现场计量校准工作,有效降低计量方面的资金消耗,易于推广应用。资料表明,通过开展流量计量仪表现场校准技术的研究与应用,可以提高计量检测水平,达到周期性计量检定的目的,使在线流量计测量数据准确可靠,只要准确操作,尽量减少随机误差和附加误差,是可以达到国家有关部门对于工业及民用水计量准确度要求的。

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