大口徑電磁流量計的在線校準_電磁流量計標定

大口徑電磁流量計的檢定
   摘.. 要: 為了加強大口徑流量計的校驗, 提高計量精度, 針對標準表法對大口徑電磁流量計的實驗室與現場檢定進行綜述, 分析各自的檢定特點及選用的標準裝置, 重點對不確定度以及現場檢定需注意的事項進行分析。
   關鍵詞: 電磁流量計; 標準表法; 不確定度
   .. .. 大口徑流量計的校驗和定期檢定, 一直困擾著供水行業。目前, 供水行業應用的流量計管徑為300mm~ 1 500mm, 甚至口徑更大。由于其測量的直徑和流量大, 對標準流量計、水泵的功率以及標準容器都有更高的要求。隨著人們對水資源認識的提高, 以及供水行業對經濟核算的重視, 使得大口徑流量計檢定問題的解決越來越突出。在供暖系統中, 已逐漸地采用了大口徑熱能表, 但我國還沒有大口徑熱能表檢定的標準裝置, 而且生產大口徑熱能表所要求的技術也越來越高。熱能表由流量傳感器、配對溫度傳感器和計算器3 個部分組成, 根據檢定的原理, 熱能表檢定主要指對流量測量裝置即流量計的檢定[ 1] 。此外, 在大口徑熱能表檢定時需要大口徑的流量計作為標準表, 一般使用電磁流量計, 這樣可以提高熱能表的檢定準確性。電磁流量計的測量精度高( 0. 5%、0. 3% ); 測量管道內無障礙物與可動部件, 流體流經儀表無壓損; 測量范圍較寬, 滿度值時在0. 5 - 15 m / s內選定, 測量口徑達到3 000mm, 所以電磁流量計被*為理想的大管徑計量儀表[ 2- 4] 。
   1.. 流量計檢定方法
   流量就是單位時間內流體通過一定截面積的量, 這個量如用流體的體積表示就為體積流量; 平均流量就是在測量時間內流量的平均值。體積流量和平均流量可表示為q ( t ) = ..A V ( t) d(A ) ; ( 1) q( t) = 1 ..2 - ..1 ..2 ..1 q ( ..) d..= 1 .... ..2 ..1q ( ..) d ..。( 2) 式中: A 為流體流過的截面積; V ( t)為流體通過A 上的微小面積( dA )的速度, ..1, ..2 為穩流時開始測量與結束測量的時間。大口徑流量計的檢定裝置包括流體源、穩壓裝置、管路系統、計時器、標準容器以及換向器等附屬設備。工作原理: 將被檢流量計安裝到裝置上, 啟動液體循環系統, 使液體流經被檢流量計和標準流量計, 同步操作被檢流量計和標準流量計, 比較兩者的輸出流量值, 從而確定被檢流量計的計量準確度和重復性[ 5- 7] 。根據使用標準量具的不同, 檢定方法分為容積法、質量法和標準表法[ 5- 7] 。容積法是通過標準容器測量一段時間內工作量器中的液體體積流出量。質量法是通過天平稱量一段時間內容器中的液體質量, 從而計算出流量。標準表法是以標準流量計為標準器具, 使流體在相同時間間隔內連續通過標準流量計和被檢流量計, 比較兩者的輸出流量值, 從而確定被檢流量計的計量性能[ 8- 9] 。容積法[ 10- 11 ] 分為靜態容積法和變水頭法(動態容積法)。靜態容積法將水塔和標準容器分開, 壓頭恒定, 靜態讀數; 變水頭法將水塔和標準容器分開, 壓頭一直變小, 動態讀數。容積法的缺點是設備龐大, 標準容器的容積隨流量計口徑增大而增大、隨檢定時間的增長而增加。標準表法克服了以上缺點, 在相同流量下, 標準表法應用容器的容積較容積法小, 而且檢定的時間可以加長。對于分辨率不高的被檢表來說, 加長檢定時間是一種有效減小檢定誤差的方法。一般的檢定裝置采用標準表法進行檢定, 對于檢定要求高的儀表采用標準表法加質量法進行檢定, 以保證測量的準確性。
    2.. 流量計檢定
   計量器具在安裝使用前必須進行強制檢定, 這就需要進行實驗室檢定。在使用過程中還需要對其進行后續檢定, 也就是在線檢定, 以保證其測量的準確性[ 12- 17 ] 。
   2..1.. 實驗室檢定
   實驗室大口徑流量計檢定的標準裝置采用恒水頭式結構, 原理圖如圖1所示。1- 水塔; 2 - 截止閥; 3- 標準流量計( E - m ag DN1000) ; 4- DN1000管路; 5 - 大管徑試驗管路; 6- 被檢流量計; 7- DN1000管路; 8 - 調節閥; 9- 蓄水池; 10- 水泵圖1.. 大口徑流量計檢定標準裝置示意圖(標準表法)
   .. .. 此裝置的水塔起溢流穩壓作用, 水頭高30m, 容積為1 000m3, 符合大口徑儀表的檢定要求, 流量為15 000m3 /h; 水池容量為2 000m3; 標準流量計采用E - magDN1 000mm 的智能電磁流量計; 標準直管段DN1 000 mm總長50m, 被檢流量計的試驗管段總長為36m, 滿足電磁流量計檢定時對直管段的要求; 裝置精確度為0. 15% ; 測控系統采用工控機控制, 用數據采集卡采集流量、壓力等測量參數, 編寫軟件對被檢表進行檢定, 并對誤差進行修正[ 18- 19] 。根據JJG164- 2000..液體流量標準裝置檢定規程..的規定, 標準設備和儀器的不確定度應優于被檢裝置的不確定度[ 11] 。因此標準流量計應具有較高的精確度、可靠性良好、流量范圍寬等特點, 比較各種流量計, 選擇電磁流量計作為標準表。因為電磁流量計公稱通徑范圍大, 從DN3到DN3000; 流體流速可達15m / s; 轉換器采用功耗低、零點穩定、精確度高的新穎勵磁方式, 精度可達.. 0. 3% 或.. 0. 5%, 流量范圍度可達1 500.. 1; 轉換器可與傳感器組成一體型或分離型, 采用16位微處理器, 易于編程, 設定參數方便, 應用可靠性強的表面安裝技術( SMT) , 可進行自診斷; 電磁流量計為雙向測量, 有3個積算器, 有脈沖、電流、數字通訊等多種輸出信號, 滿足二次儀表測量和數據采集設備的通信[ 20] 。選擇智能電磁流量計作為標準表, 并用標準表法對該儀表在不同流量下測量多個流量點。電磁流量計隨著流量的增大線性減小, 誤差減小。
     2..2.. 現場檢定
    流量計的現場工作條件與實驗室校驗的工作條件相差很大, 流量計準確度偏離無法確定[ 21] 。現場檢定同樣也應用標準表法進行檢定, 選擇便攜式超聲波流量計作為標準表, 便攜式超聲波流量計是一種外夾便攜式的流量計量儀表, 具有精度高、重復性好、靈敏度高、安裝使用方便、能在露天惡劣環境下工作等特點, 比較適用于大口徑流量計的現場檢測和校準。經比較, 選用美國寶麗森DCT - 7088電磁流量計, 它基本滿足上述要求, 此流量計采用了*的數字處理技術和聲波時差探測法, 可以降低測量介質中固體或氣泡對測量精度的影響。配有.. T im eGATE..信號分析軟件, 可利用微軟W indow s風格圖形界面形式來設置流量計并進行全面的波形分析, 來取代對流量計的直接設置和操作[ 22] 。其原理是: 在現場大口徑流量計所在管道上安裝一個準確度較高的便攜式超聲波流量計作為標準表, 同時記錄被檢表和標準表的流量, 以標準表作為標準值, 計算被檢流量計的誤差, 進而調整被檢流量計系數, 使被檢電磁流量計與便攜式超聲波流量計示數相一致, 以達到檢測、校準現場流量計的目的。其計算公式如下: f 2 = v標/v被.. f 1, ( 3) 式中: f 1 為被檢表原來的系數; v被為被檢表的平均流速, m3 /h; v標為標準表的平均流速, m3 /h; f 2 為被檢表比對后的調整系數。建立圖2所示大口徑流量計檢定校準系統[ 22] 。水源.. 流量調節.. 標準管道.. 標準水池圖2.. 大口徑流量計檢定校準系統框圖使用便攜式超聲波流量計可實現不斷流測量, 設備便于攜帶, 安裝方便; 流體中不插入任何元件, 對流速無影響, 無壓損, 穩定性好; 外夾式探頭, 可移動安裝測量; 能用于任何液體, 特別是具有高粘度、強腐蝕、非導電性等性能液體的流量測量, 也能測量氣體的流量; 量程比較寬, 可達5..1; 輸出與流量之間呈線性等優點。但是使用便攜式超聲波傳感器也存在一些缺點: 當被測液體中含有氣泡或有雜音時, 將會影響測量精度, 故要求變送器前后分別有10D 和5D的直管段, 而現場實際情況難以確定, 人為因素影響大, 現場流量不易控制, 難以進行全量程測試。此外, 結構復雜, 成本較高。
    3.. 檢定結果的判定
    根據JJG643- 2003..標準表法流量標準裝置.. 的規定, 標準裝置分別按定點使用和非定點使用兩種情況進行計算[ 9, 12 ] 。
   ( 1) 標準表用于定點測量時, 標準不確定度為儀表系數重復性的不確定度。其值為各流量點標準不確定度的值。各個檢定點單次測量的A 類不確定度(Er ) i 為(E r ) i = .. ta ( ..c ) i Qi .. 99% , ( 4) 式中: ( ..c ) i 為第i個檢定點的修正值屬于A 類不確定度; Qi為第i個檢定點的平均流量; ta (范圍因子)為置信水平, 取值為0. 95; 自由度為( n - 1)的t 分布系數, n 為各點檢定次數。標準流量計在自由度為n - 1的合成不確定度E 為E = [E 2 n + E 2r ] 1 /2, ( 5) 式中: En 為標準表的不確定度(未指明自由度); E r 為測量點標準表的不確定度。
    ( 2) 當標準流量計作為非定點使用時, 標準表不確定度為線性內差引入的不確定度, 其修正值計算公式為(Ec ) i = ..Qi - (Qa ) i (Qa ) i .. 99% , ( 6) 式中: (Ec ) i 為第i次檢定的修正值; Qi 為第i次檢定時流量計的體積流量; (Qa ) i 為第i次檢定時標準表的體積流量。利用曲線擬合來修正標準表的固有不確定度, 此時, 標準表的實際流量Qp 為Qp = Qm ( 1- Y) , ( 7) 式中: Qm 為測量值; Y 為某一測量點所對應的修正曲線值, 常用三次方程表示。用最小二乘法求出標準表修正公式的A 類不確定度E r。這時標準表在自由度為n - 1 時的合成不確定度E 為E = [E 2 n + E 2r ] 1 /2 。( 8) 標準表為智能電磁流量計時, E r 檢定為0. 5% (不加修正), 如果En < 0. 1%, 經過修正后的標準表的合成不確定度為0. 1%。利用標準表對被檢表進行比對測試時, 按誤差合成理論進行判定, 計算公式為E = ( q1 - q0 ) /q0 .. 99% , ( 9) 式中: q0 為標準表的平均流量; q1 為被檢表的平均流量。只有當E .. U20 + U21 時, 才認為被檢流量計合格。U0 為標準表的總不確定度; U1 為被檢表的準確度等級。當利用標準表對被檢表進行現場校準時, 需用標準表的平均流量或流速對被檢表進行系數修正, 修正公式見公式( 3)。
    4.. 不確定度分析
    4..1.. 數學模型的建立
   流量計的瞬時流量與流體的流速和流過管道的截面積有關[ 21- 29] 。超聲波流量計的瞬時流量數學模型公式為q= f ( r1, r2, v ) = ..( r1 - r2 ) 2 v , ( 10) 式中: q為流過超聲波流量計的流量; v 為流速; r1 為管道外徑(半徑); r2 為管道壁厚。
    4..2.. 標準表不確定度
   由公式( 10)可知需要測量的信號有管道的外半徑r1、壁厚r2 以及流量計的流速v, 標準表測量的不確定度也就是這3個測量信號的合成不確定度。由q= ..( r1 - r2 ) 2v 分別對r1、r2、v 求得偏導數得: C1 = ..q ..r1 = 2, C2 = ..q ..r2 = 2, Cr = ..q ..v= 1 , 合成方差為uc ( q ) q 2 = C21 u( r1 ) r 2 + C 22 u ( r2 ) r 2 + Cr u( q) q 2; 合成相對不確定度為Uc = uc ( q ) q = 2 u ( r1 ) r 2 + 2 u ( r2 ) r 2 + u ( q ) q 2 。
   ( 1)管道外徑測量的不確定度u ( r1 ) 采用.. 級鋼卷尺, 長度L = 5 m 的允許誤差為..= .. ( 0. 1+ 0. 1 L ) = 0. 6mm。測量周長后轉換為外徑r1, 其標準差按均勻分布, 按標準不確定度為B 類分析, 則r1 不確定度為u ( r1 ) = 0..6 2.. 3= 0..06 mm , 其可靠性高, 故自由度= ..
   ( 2)管道壁厚測量的不確定度u ( r2 ) 超聲波測厚儀允許測量誤差..= 0. 3 mm, 其標準差按均勻分布, 按標準不確定度為B 類進行分析: u11 = 0..3 / 3; 測厚儀本身的分辨率u12 = 0..5 / 3。故管道壁厚測量的合成不確定度為u( r2 ) = u211 + u212 = 0..34mm , 其可靠性高, 故自由度= ..
    ( 3) 超聲波流量計的不確定度在q= 130 m3 /h 時, 進行N = 50 次測量得到數據為q1 = 130. 4 m3 /h, n1 = 2 次; q2 = 130. 5 m3 /h, n2 = 7 次; q3 = 129. 9 m3 /h, n3 = 18 次; q4 = 129. 3 m3 /h, n4 = 15次; q5 = 129. 5 m3 /h, n5 = 8次。故得: q= .. 5 i= 1 ( qi ni ) = 130..04 m3 /h , s( v) = .. 5 i= 1 ni Q - qi 2 N - 1 = 0..3 476 m3 /h 。故超聲波流量計流速的相對不確定度為u ( q ) q = s( v ) q = 0..0 025= 0..25% 。測量次數為n= 50時的自由度為..( V) = n- 1= 49。當測量次數增加時..( V) = .. 。
    4..3.. 合成不確定度與擴展不確定度當現場測量管徑為r = 1 000mm 時, Uc = uc q = 2 0..006 1 000 2 + 2 0..34 1 000 2 + [ 0..002 5] 2 = 0..27% ; 合成不確定度的有效自由度為v( q ) = (Uc ) 4 ( 0..06) 2 .. + ( 0..34) 2 .. + ( 0..002 6) 2 .. = .. 。當置信概率取P = 0. 95時, t0. 95 ( .. ) = 1. 96, 則擴展不確定度為U0..95 = t0..95 ( .. ) ..Uc = 1..96 .. 0..27% = 0..53% 。通過對標準表超聲波流量計不確定度的分析, 得出此流量計可以作為準確度小于1. 5% 的大口徑流量計進行現場檢定的標準表, 也可用于同級流量儀表的現場檢定。
    5.. 現場檢定需注意的事項
   ( 1)了解現場環境以及被檢管線的材質、管外徑、壁厚、流體以及流體溫度等相關量的數值, 現場檢定時采用精度高的測厚儀( e = .. 0. 1% )、軟尺( e= .. 1mm ), 以確保測量的準確度[ 30- 32 ] 。
   ( 2)標準表安裝在直管段, 轉換器裝在上游直管段為10D, 下游直管段為5D 的位置, 提高流速[ 33- 34] 。避免上下游擾動源(泵、閥、彎頭) , 必要時應考慮加裝整流器。當上游存在泵、閥等設備時, 直管段的長度為30D。標準表不能安裝在管內含有氣體的位置, 氣泡會使超聲波信號減弱, 而影響到測量精度。轉換器盡量采用V 型法安裝, 保證聲程在管徑平面上, 提高測量精度。如果V 型法安裝找不到信號, 可采用Z型法[ 35] 。
  ( 3)對于直管段, 超聲波流量計的發射器要安裝在管側面的正側線上, 以避免沉淀物或氣泡的影響。發射器與管道必須用聲學性好的黃油或凡士林耦合劑充分耦合。流量計測量信號時采用靜態調零或動態調零, 以消除零點漂移[ 36] 。
   ( 4)檢定過程中, 流速不應小于0. 2 m / s, 標準表與被校表的數據采集同步進行, 及時根據測量誤差調整被檢表的系數[ 37- 38 ] 。根據情況設定適當的采集時間間隔, 盡可能延長采集時間間隔[ 39 ] 。利用軟件實現數據的保存、顯示及打印, 這樣可以排除人第3期黃明鍵, 等: 大口徑電磁流量計的檢定327工讀數帶來的附加誤差, 提高現場校準和檢定的準確度。
   ( 5)檢定結果受壓力與溫度的影響, 檢定時應控制室內及現場溫度, 使檢定系統溫度場穩定[ 40 ] 。盡量縮短流量計出口與體積管入口之間的連接管道距離, 以減小管道摩阻引起的壓損和溫差, 使流量計與體積管的壓力和溫度盡可能保持一致。
   6.. 結.. 論
   由于大口徑流量計多數是智能電磁流量計或插入式超聲波流量計, 儀表結構大多為法蘭連接或者是插入管道, 只有在停流時才允許拆卸, 且拆裝和運輸送檢十分麻煩; 另一方面, 流量計的現場工作條件與實驗室校驗的工作條件相差很大, 流量計準確度偏離無法確定。采用便攜式超聲波流量計進行大口徑流量計在線測量, 方便了供水企業的計量工作, 也有效的降低了資金的消耗。在現場檢定的誤差分析及修正方面可進一步開展研究工作。參考文獻: [ 1] .. 11G225- 2001 熱能表檢定規程[ S] . [ 2] .. 王東偉, 金志軍, 史振東, 等. 熱能表檢定裝置的建立[ J]. 現代測量與實驗室管理, 2005( 6) : 10 - 16. [ 3] .. 何衛兵. 大口徑電磁流量計在線測試的探討[ J] . 中國設備工程, 2008( 8 ) : 43- 44. [ 4] .. 趙雨斌, 居滋培. 特大口徑電磁流量計的檢定[ J] . 計量學報, 2000, 21 ( 4) : 291- 295. [ 5] .. 蘇彥勛. 液體流量標準裝置[ M ] . 北京: 中國計量出版社, 1994.. [ 6] .. 張艷萍. 實現在線大口徑水流量計的檢測及校準[ J] . 江西科技, 2008( 3 ) : 168- 169. [ 7] .. ISO /WD 5168. 3. M easu rem en t of flu id flow: Est im ation ofun certa inty of a f low - rate m easu rem en t[ S ]. 1998. [ 8] .. GB /T 17612- 1998 封閉管道中液體流量的測量: 稱重法[ S ] . [ 9] .. JJG643- 2003標準表法流量標準裝置[ S] . [ 10 ] .. 丁.. 巧. 流量測量儀表幾種檢定方式比較[ J] . 中國計量, 2008( 4 ): 97- 98. [ 11 ] .. JJG164- 2000 液體流量標準裝置檢定規程[ S] . [ 12 ] .. 中國計量科學研究院. 標準表法流量標準裝置JJG643- 2003 [M ] . 北京: 中國計量出版社, 2003.. [ 13 ] .. 趙.. 強. 基于.. 擴流原理..大口徑流量計量的研究與應用[ J] . 地下水, 2008, 30 ( 2) : 121 - 123. [ 14 ] .. 袁洪濤, 申元甲, 施東文. 電磁流量計在大口徑管道計量中的變通應用[ J] . 2007, 23( 2 ) : 53- 55. [ 15 ] .. 姜喜霞, 陶.. 芳, 程.. 利. 流量計檢定裝置的研究與應用[ J] . 計量技術, 2008 ( 9) : 52- 54. [ 16 ] .. 蔡武昌. 電磁流量計和超聲流量計在線驗證[ J] . 自動化儀表, 2007, 28( 4 ) : 1- 4. [ 17] .. 趙士銘, 郭永濤. 水流量標準裝置控制系統[ J ] . 中國計量, 2008 ( 2) : 104 - 106. [ 18] .. 趙雨斌, 居滋培. 用標準表法檢定特大口徑流量計時溫度影響的分析[ J]. 上海理工大學學報, 2000, 20( 1) : 53- 56. [ 19] .. 周楚宏, 李瑞衡. 大口徑流量計現場校驗的嘗試[ J ]. 計量技術, 2002( 9) : 25 - 26. [ 20] .. 杜.. 萌, 王紅娟, 劉永強. 利用超聲波對水流量計進行在線檢定[ J] . 油氣田地面工程, 2005, 24( 6) : 36 - 36. [ 21] .. 鄧立三, 時.. 明. 大口徑氣體流量標準裝置測量不確定度分析[ J] . 中國儀器儀表, 2006 ( 4) : 36- 44. [ 22] .. 陳天榮. 便攜式超聲波流量計在現場校準中的.. 妙用.. [ J] . 中國計量, 2008( 4) : 69- 70. [ 23] .. 肖明耀. 實驗誤差估計與數據處理[M ] . 北京: 中國計量科學研究所, 1978. [ 24] .. 黃.. 勇. 大口徑水流量計的在線檢定方法和注意事項[ J] . 中國計量, 2007( 5) : 54- 55. [ 25] .. 孫.. 瑛, 孟憲增, 何海靜. 石油流量計檢定中的問題及解決方法[ J] . 企業標準化, 2008 ( 17) : 8 - 8. [ 26] .. 劉.. 忠. 石化企業大口徑流量儀表溯源方法的探索[ J] . 工業計量, 2000( S1) , 237- 239. [ 27] .. 劉.. 爽, 陳傳杰. 在線實流檢定法在檢定油氣流量測量儀表中的應用分析[ J]. 今日科苑, 2008 ( 14) : 57 - 57. [ 28] .. 劉均彥. 闡述電磁流量計在凈水廠中的使用及安裝要求[ J ]. 廣東科技, 2008, 196( 18) : 184 - 185. [ 29] .. 孫.. 策, 王錫泉. 質量流量計在線檢定與離線檢定[ J] . 工業計量, 2007, 17( 4 ) : 27- 30. [ 30] .. 徐全懷, 陳永波, 周.. 紅, 等. 插入式超聲波流量計在供水大口徑管道中的應用[ J] . 儀器儀表標準化與計量, 2005 ( 3 ): 42 - 43. [ 31] .. 張玲艷, 李.. 鳴, 付.. 輝, 等. 小口徑流量計檢定系統的研究與現場應用[ J]. 儀表技術與傳感器, 2007 ( 2) : 60 - 62. [ 32] .. JJF1059 - 1999測量不確定度評定表示[ S ]. [ 33] .. 岳積亮. 質量法流量計檢定裝置稱重傳感器的選擇方法[ J ]. 科技應用, 2006, 35( 5 ) : 23- 24. [ 34] .. 桑曉鳴, 陳.. 彬, 郝永進, 等. 便攜式明渠流量計檢定裝置概述[ J] . 工業測量, 2006( S1 ): 66- 69. [ 35] .. 胡德才, 張瓊飛. 流量計檢定數據采集方法[ J] . 油氣田地面工程, 2005, 24( 8 ) : 38- 38. [ 36] .. 蔣祖華. 超聲流量計的檢定及誤差分析[ J ]. 石油工業技術監督, 2004( 4) : 28 - 30. [ 37] .. 崔海亮. 電磁流量計的正確選擇與安裝使用[ J] . 科技信息, 2008 ( 23) : 82 - 85. [ 38] .. 劉.. 偉. 水表檢定裝置功能擴充探討[ J ] . 航空計測技術, 2002, 22( 2) : 47- 48. [ 39] .. 祝龍林, 梁.. 冰. 流量計的在線檢定[ J] . 油氣儲運, 2005, 24 ( 6 ): 43- 46. [ 40] .. 翟勝良, 唐湛淇. 靜態質量法流量標準裝置檢定中的常見問題及對策[ J]. 中國計量, 2007 ( 10) : 86 - 86.--擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：