大口径电磁流量计的在线校准_电磁流量计标定

大口径电磁流量计的检定
   摘.. 要: 为了加强大口径流量计的校验, 提高计量精度, 针对标准表法对大口径电磁流量计的实验室与现场检定进行综述, 分析各自的检定特点及选用的标准装置, 重点对不确定度以及现场检定需注意的事项进行分析。
   关键词: 电磁流量计; 标准表法; 不确定度
   .. .. 大口径流量计的校验和定期检定, 一直困扰着供水行业。目前, 供水行业应用的流量计管径为300mm~ 1 500mm, 甚至口径更大。由于其测量的直径和流量大, 对标准流量计、水泵的功率以及标准容器都有更高的要求。随着人们对水资源认识的提高, 以及供水行业对经济核算的重视, 使得大口径流量计检定问题的解决越来越突出。在供暖系统中, 已逐渐地采用了大口径热能表, 但我国还没有大口径热能表检定的标准装置, 而且生产大口径热能表所要求的技术也越来越高。热能表由流量传感器、配对温度传感器和计算器3 个部分组成, 根据检定的原理, 热能表检定主要指对流量测量装置即流量计的检定[ 1] 。此外, 在大口径热能表检定时需要大口径的流量计作为标准表, 一般使用电磁流量计, 这样可以提高热能表的检定准确性。电磁流量计的测量精度高( 0. 5%、0. 3% ); 测量管道内无障碍物与可动部件, 流体流经仪表无压损; 测量范围较宽, 满度值时在0. 5 - 15 m / s内选定, 测量口径达到3 000mm, 所以电磁流量计被*为理想的大管径计量仪表[ 2- 4] 。
   1.. 流量计检定方法
   流量就是单位时间内流体通过一定截面积的量, 这个量如用流体的体积表示就为体积流量; 平均流量就是在测量时间内流量的平均值。体积流量和平均流量可表示为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 为流体流过的截面积; V ( t)为流体通过A 上的微小面积( dA )的速度, ..1, ..2 为稳流时开始测量与结束测量的时间。大口径流量计的检定装置包括流体源、稳压装置、管路系统、计时器、标准容器以及换向器等附属设备。工作原理: 将被检流量计安装到装置上, 启动液体循环系统, 使液体流经被检流量计和标准流量计, 同步操作被检流量计和标准流量计, 比较两者的输出流量值, 从而确定被检流量计的计量准确度和重复性[ 5- 7] 。根据使用标准量具的不同, 检定方法分为容积法、质量法和标准表法[ 5- 7] 。容积法是通过标准容器测量一段时间内工作量器中的液体体积流出量。质量法是通过天平称量一段时间内容器中的液体质量, 从而计算出流量。标准表法是以标准流量计为标准器具, 使流体在相同时间间隔内连续通过标准流量计和被检流量计, 比较两者的输出流量值, 从而确定被检流量计的计量性能[ 8- 9] 。容积法[ 10- 11 ] 分为静态容积法和变水头法(动态容积法)。静态容积法将水塔和标准容器分开, 压头恒定, 静态读数; 变水头法将水塔和标准容器分开, 压头一直变小, 动态读数。容积法的缺点是设备庞大, 标准容器的容积随流量计口径增大而增大、随检定时间的增长而增加。标准表法克服了以上缺点, 在相同流量下, 标准表法应用容器的容积较容积法小, 而且检定的时间可以加长。对于分辨率不高的被检表来说, 加长检定时间是一种有效减小检定误差的方法。一般的检定装置采用标准表法进行检定, 对于检定要求高的仪表采用标准表法加质量法进行检定, 以保证测量的准确性。
    2.. 流量计检定
   计量器具在安装使用前必须进行强制检定, 这就需要进行实验室检定。在使用过程中还需要对其进行后续检定, 也就是在线检定, 以保证其测量的准确性[ 12- 17 ] 。
   2..1.. 实验室检定
   实验室大口径流量计检定的标准装置采用恒水头式结构, 原理图如图1所示。1- 水塔; 2 - 截止阀; 3- 标准流量计( E - m ag DN1000) ; 4- DN1000管路; 5 - 大管径试验管路; 6- 被检流量计; 7- DN1000管路; 8 - 调节阀; 9- 蓄水池; 10- 水泵图1.. 大口径流量计检定标准装置示意图(标准表法)
   .. .. 此装置的水塔起溢流稳压作用, 水头高30m, 容积为1 000m3, 符合大口径仪表的检定要求, 流量为15 000m3 /h; 水池容量为2 000m3; 标准流量计采用E - magDN1 000mm 的智能电磁流量计; 标准直管段DN1 000 mm总长50m, 被检流量计的试验管段总长为36m, 满足电磁流量计检定时对直管段的要求; 装置精确度为0. 15% ; 测控系统采用工控机控制, 用数据采集卡采集流量、压力等测量参数, 编写软件对被检表进行检定, 并对误差进行修正[ 18- 19] 。根据JJG164- 2000..液体流量标准装置检定规程..的规定, 标准设备和仪器的不确定度应优于被检装置的不确定度[ 11] 。因此标准流量计应具有较高的精确度、可靠性良好、流量范围宽等特点, 比较各种流量计, 选择电磁流量计作为标准表。因为电磁流量计公称通径范围大, 从DN3到DN3000; 流体流速可达15m / s; 转换器采用功耗低、零点稳定、精确度高的新颖励磁方式, 精度可达.. 0. 3% 或.. 0. 5%, 流量范围度可达1 500.. 1; 转换器可与传感器组成一体型或分离型, 采用16位微处理器, 易于编程, 设定参数方便, 应用可靠性强的表面安装技术( SMT) , 可进行自诊断; 电磁流量计为双向测量, 有3个积算器, 有脉冲、电流、数字通讯等多种输出信号, 满足二次仪表测量和数据采集设备的通信[ 20] 。选择智能电磁流量计作为标准表, 并用标准表法对该仪表在不同流量下测量多个流量点。电磁流量计随着流量的增大线性减小, 误差减小。
     2..2.. 现场检定
    流量计的现场工作条件与实验室校验的工作条件相差很大, 流量计准确度偏离无法确定[ 21] 。现场检定同样也应用标准表法进行检定, 选择便携式超声波流量计作为标准表, 便携式超声波流量计是一种外夹便携式的流量计量仪表, 具有精度高、重复性好、灵敏度高、安装使用方便、能在露天恶劣环境下工作等特点, 比较适用于大口径流量计的现场检测和校准。经比较, 选用美国宝丽森DCT - 7088电磁流量计, 它基本满足上述要求, 此流量计采用了*的数字处理技术和声波时差探测法, 可以降低测量介质中固体或气泡对测量精度的影响。配有.. T im eGATE..信号分析软件, 可利用微软W indow s风格图形界面形式来设置流量计并进行全面的波形分析, 来取代对流量计的直接设置和操作[ 22] 。其原理是: 在现场大口径流量计所在管道上安装一个准确度较高的便携式超声波流量计作为标准表, 同时记录被检表和标准表的流量, 以标准表作为标准值, 计算被检流量计的误差, 进而调整被检流量计系数, 使被检电磁流量计与便携式超声波流量计示数相一致, 以达到检测、校准现场流量计的目的。其计算公式如下: f 2 = v标/v被.. f 1, ( 3) 式中: f 1 为被检表原来的系数; v被为被检表的平均流速, m3 /h; v标为标准表的平均流速, m3 /h; f 2 为被检表比对后的调整系数。建立图2所示大口径流量计检定校准系统[ 22] 。水源.. 流量调节.. 标准管道.. 标准水池图2.. 大口径流量计检定校准系统框图使用便携式超声波流量计可实现不断流测量, 设备便于携带, 安装方便; 流体中不插入任何元件, 对流速无影响, 无压损, 稳定性好; 外夹式探头, 可移动安装测量; 能用于任何液体, 特别是具有高粘度、强腐蚀、非导电性等性能液体的流量测量, 也能测量气体的流量; 量程比较宽, 可达5..1; 输出与流量之间呈线性等优点。但是使用便携式超声波传感器也存在一些缺点: 当被测液体中含有气泡或有杂音时, 将会影响测量精度, 故要求变送器前后分别有10D 和5D的直管段, 而现场实际情况难以确定, 人为因素影响大, 现场流量不易控制, 难以进行全量程测试。此外, 结构复杂, 成本较高。
    3.. 检定结果的判定
    根据JJG643- 2003..标准表法流量标准装置.. 的规定, 标准装置分别按定点使用和非定点使用两种情况进行计算[ 9, 12 ] 。
   ( 1) 标准表用于定点测量时, 标准不确定度为仪表系数重复性的不确定度。其值为各流量点标准不确定度的值。各个检定点单次测量的A 类不确定度(Er ) i 为(E r ) i = .. ta ( ..c ) i Qi .. 99% , ( 4) 式中: ( ..c ) i 为第i个检定点的修正值属于A 类不确定度; Qi为第i个检定点的平均流量; ta (范围因子)为置信水平, 取值为0. 95; 自由度为( n - 1)的t 分布系数, n 为各点检定次数。标准流量计在自由度为n - 1的合成不确定度E 为E = [E 2 n + E 2r ] 1 /2, ( 5) 式中: En 为标准表的不确定度(未指明自由度); E r 为测量点标准表的不确定度。
    ( 2) 当标准流量计作为非定点使用时, 标准表不确定度为线性内差引入的不确定度, 其修正值计算公式为(Ec ) i = ..Qi - (Qa ) i (Qa ) i .. 99% , ( 6) 式中: (Ec ) i 为第i次检定的修正值; Qi 为第i次检定时流量计的体积流量; (Qa ) i 为第i次检定时标准表的体积流量。利用曲线拟合来修正标准表的固有不确定度, 此时, 标准表的实际流量Qp 为Qp = Qm ( 1- Y) , ( 7) 式中: Qm 为测量值; Y 为某一测量点所对应的修正曲线值, 常用三次方程表示。用最小二乘法求出标准表修正公式的A 类不确定度E r。这时标准表在自由度为n - 1 时的合成不确定度E 为E = [E 2 n + E 2r ] 1 /2 。( 8) 标准表为智能电磁流量计时, E r 检定为0. 5% (不加修正), 如果En < 0. 1%, 经过修正后的标准表的合成不确定度为0. 1%。利用标准表对被检表进行比对测试时, 按误差合成理论进行判定, 计算公式为E = ( q1 - q0 ) /q0 .. 99% , ( 9) 式中: q0 为标准表的平均流量; q1 为被检表的平均流量。只有当E .. U20 + U21 时, 才认为被检流量计合格。U0 为标准表的总不确定度; U1 为被检表的准确度等级。当利用标准表对被检表进行现场校准时, 需用标准表的平均流量或流速对被检表进行系数修正, 修正公式见公式( 3)。
    4.. 不确定度分析
    4..1.. 数学模型的建立
   流量计的瞬时流量与流体的流速和流过管道的截面积有关[ 21- 29] 。超声波流量计的瞬时流量数学模型公式为q= f ( r1, r2, v ) = ..( r1 - r2 ) 2 v , ( 10) 式中: q为流过超声波流量计的流量; v 为流速; r1 为管道外径(半径); r2 为管道壁厚。
    4..2.. 标准表不确定度
   由公式( 10)可知需要测量的信号有管道的外半径r1、壁厚r2 以及流量计的流速v, 标准表测量的不确定度也就是这3个测量信号的合成不确定度。由q= ..( r1 - r2 ) 2v 分别对r1、r2、v 求得偏导数得: C1 = ..q ..r1 = 2, C2 = ..q ..r2 = 2, Cr = ..q ..v= 1 , 合成方差为uc ( q ) q 2 = C21 u( r1 ) r 2 + C 22 u ( r2 ) r 2 + Cr u( q) q 2; 合成相对不确定度为Uc = uc ( q ) q = 2 u ( r1 ) r 2 + 2 u ( r2 ) r 2 + u ( q ) q 2 。
   ( 1)管道外径测量的不确定度u ( r1 ) 采用.. 级钢卷尺, 长度L = 5 m 的允许误差为..= .. ( 0. 1+ 0. 1 L ) = 0. 6mm。测量周长后转换为外径r1, 其标准差按均匀分布, 按标准不确定度为B 类分析, 则r1 不确定度为u ( r1 ) = 0..6 2.. 3= 0..06 mm , 其可靠性高, 故自由度= ..
   ( 2)管道壁厚测量的不确定度u ( r2 ) 超声波测厚仪允许测量误差..= 0. 3 mm, 其标准差按均匀分布, 按标准不确定度为B 类进行分析: u11 = 0..3 / 3; 测厚仪本身的分辨率u12 = 0..5 / 3。故管道壁厚测量的合成不确定度为u( r2 ) = u211 + u212 = 0..34mm , 其可靠性高, 故自由度= ..
    ( 3) 超声波流量计的不确定度在q= 130 m3 /h 时, 进行N = 50 次测量得到数据为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 。故超声波流量计流速的相对不确定度为u ( q ) q = s( v ) q = 0..0 025= 0..25% 。测量次数为n= 50时的自由度为..( V) = n- 1= 49。当测量次数增加时..( V) = .. 。
    4..3.. 合成不确定度与扩展不确定度当现场测量管径为r = 1 000mm 时, Uc = uc q = 2 0..006 1 000 2 + 2 0..34 1 000 2 + [ 0..002 5] 2 = 0..27% ; 合成不确定度的有效自由度为v( q ) = (Uc ) 4 ( 0..06) 2 .. + ( 0..34) 2 .. + ( 0..002 6) 2 .. = .. 。当置信概率取P = 0. 95时, t0. 95 ( .. ) = 1. 96, 则扩展不确定度为U0..95 = t0..95 ( .. ) ..Uc = 1..96 .. 0..27% = 0..53% 。通过对标准表超声波流量计不确定度的分析, 得出此流量计可以作为准确度小于1. 5% 的大口径流量计进行现场检定的标准表, 也可用于同级流量仪表的现场检定。
    5.. 现场检定需注意的事项
   ( 1)了解现场环境以及被检管线的材质、管外径、壁厚、流体以及流体温度等相关量的数值, 现场检定时采用精度高的测厚仪( e = .. 0. 1% )、软尺( e= .. 1mm ), 以确保测量的准确度[ 30- 32 ] 。
   ( 2)标准表安装在直管段, 转换器装在上游直管段为10D, 下游直管段为5D 的位置, 提高流速[ 33- 34] 。避免上下游扰动源(泵、阀、弯头) , 必要时应考虑加装整流器。当上游存在泵、阀等设备时, 直管段的长度为30D。标准表不能安装在管内含有气体的位置, 气泡会使超声波信号减弱, 而影响到测量精度。转换器尽量采用V 型法安装, 保证声程在管径平面上, 提高测量精度。如果V 型法安装找不到信号, 可采用Z型法[ 35] 。
  ( 3)对于直管段, 超声波流量计的发射器要安装在管侧面的正侧线上, 以避免沉淀物或气泡的影响。发射器与管道必须用声学性好的黄油或凡士林耦合剂充分耦合。流量计测量信号时采用静态调零或动态调零, 以消除零点漂移[ 36] 。
   ( 4)检定过程中, 流速不应小于0. 2 m / s, 标准表与被校表的数据采集同步进行, 及时根据测量误差调整被检表的系数[ 37- 38 ] 。根据情况设定适当的采集时间间隔, 尽可能延长采集时间间隔[ 39 ] 。利用软件实现数据的保存、显示及打印, 这样可以排除人第3期黄明键, 等: 大口径电磁流量计的检定327工读数带来的附加误差, 提高现场校准和检定的准确度。
   ( 5)检定结果受压力与温度的影响, 检定时应控制室内及现场温度, 使检定系统温度场稳定[ 40 ] 。尽量缩短流量计出口与体积管入口之间的连接管道距离, 以减小管道摩阻引起的压损和温差, 使流量计与体积管的压力和温度尽可能保持一致。
   6.. 结.. 论
   由于大口径流量计多数是智能电磁流量计或插入式超声波流量计, 仪表结构大多为法兰连接或者是插入管道, 只有在停流时才允许拆卸, 且拆装和运输送检十分麻烦; 另一方面, 流量计的现场工作条件与实验室校验的工作条件相差很大, 流量计准确度偏离无法确定。采用便携式超声波流量计进行大口径流量计在线测量, 方便了供水企业的计量工作, 也有效的降低了资金的消耗。在现场检定的误差分析及修正方面可进一步开展研究工作。参考文献: [ 1] .. 11G225- 2001 热能表检定规程[ S] . [ 2] .. 王东伟, 金志军, 史振东, 等. 热能表检定装置的建立[ J]. 现代测量与实验室管理, 2005( 6) : 10 - 16. [ 3] .. 何卫兵. 大口径电磁流量计在线测试的探讨[ J] . 中国设备工程, 2008( 8 ) : 43- 44. [ 4] .. 赵雨斌, 居滋培. 特大口径电磁流量计的检定[ J] . 计量学报, 2000, 21 ( 4) : 291- 295. [ 5] .. 苏彦勋. 液体流量标准装置[ M ] . 北京: 中国计量出版社, 1994.. [ 6] .. 张艳萍. 实现在线大口径水流量计的检测及校准[ 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 封闭管道中液体流量的测量: 称重法[ S ] . [ 9] .. JJG643- 2003标准表法流量标准装置[ S] . [ 10 ] .. 丁.. 巧. 流量测量仪表几种检定方式比较[ J] . 中国计量, 2008( 4 ): 97- 98. [ 11 ] .. JJG164- 2000 液体流量标准装置检定规程[ S] . [ 12 ] .. 中国计量科学研究院. 标准表法流量标准装置JJG643- 2003 [M ] . 北京: 中国计量出版社, 2003.. [ 13 ] .. 赵.. 强. 基于.. 扩流原理..大口径流量计量的研究与应用[ J] . 地下水, 2008, 30 ( 2) : 121 - 123. [ 14 ] .. 袁洪涛, 申元甲, 施东文. 电磁流量计在大口径管道计量中的变通应用[ J] . 2007, 23( 2 ) : 53- 55. [ 15 ] .. 姜喜霞, 陶.. 芳, 程.. 利. 流量计检定装置的研究与应用[ J] . 计量技术, 2008 ( 9) : 52- 54. [ 16 ] .. 蔡武昌. 电磁流量计和超声流量计在线验证[ J] . 自动化仪表, 2007, 28( 4 ) : 1- 4. [ 17] .. 赵士铭, 郭永涛. 水流量标准装置控制系统[ J ] . 中国计量, 2008 ( 2) : 104 - 106. [ 18] .. 赵雨斌, 居滋培. 用标准表法检定特大口径流量计时温度影响的分析[ J]. 上海理工大学学报, 2000, 20( 1) : 53- 56. [ 19] .. 周楚宏, 李瑞衡. 大口径流量计现场校验的尝试[ J ]. 计量技术, 2002( 9) : 25 - 26. [ 20] .. 杜.. 萌, 王红娟, 刘永强. 利用超声波对水流量计进行在线检定[ J] . 油气田地面工程, 2005, 24( 6) : 36 - 36. [ 21] .. 邓立三, 时.. 明. 大口径气体流量标准装置测量不确定度分析[ J] . 中国仪器仪表, 2006 ( 4) : 36- 44. [ 22] .. 陈天荣. 便携式超声波流量计在现场校准中的.. 妙用.. [ J] . 中国计量, 2008( 4) : 69- 70. [ 23] .. 肖明耀. 实验误差估计与数据处理[M ] . 北京: 中国计量科学研究所, 1978. [ 24] .. 黄.. 勇. 大口径水流量计的在线检定方法和注意事项[ J] . 中国计量, 2007( 5) : 54- 55. [ 25] .. 孙.. 瑛, 孟宪增, 何海静. 石油流量计检定中的问题及解决方法[ J] . 企业标准化, 2008 ( 17) : 8 - 8. [ 26] .. 刘.. 忠. 石化企业大口径流量仪表溯源方法的探索[ J] . 工业计量, 2000( S1) , 237- 239. [ 27] .. 刘.. 爽, 陈传杰. 在线实流检定法在检定油气流量测量仪表中的应用分析[ J]. 今日科苑, 2008 ( 14) : 57 - 57. [ 28] .. 刘均彦. 阐述电磁流量计在净水厂中的使用及安装要求[ J ]. 广东科技, 2008, 196( 18) : 184 - 185. [ 29] .. 孙.. 策, 王锡泉. 质量流量计在线检定与离线检定[ J] . 工业计量, 2007, 17( 4 ) : 27- 30. [ 30] .. 徐全怀, 陈永波, 周.. 红, 等. 插入式超声波流量计在供水大口径管道中的应用[ J] . 仪器仪表标准化与计量, 2005 ( 3 ): 42 - 43. [ 31] .. 张玲艳, 李.. 鸣, 付.. 辉, 等. 小口径流量计检定系统的研究与现场应用[ J]. 仪表技术与传感器, 2007 ( 2) : 60 - 62. [ 32] .. JJF1059 - 1999测量不确定度评定表示[ S ]. [ 33] .. 岳积亮. 质量法流量计检定装置称重传感器的选择方法[ J ]. 科技应用, 2006, 35( 5 ) : 23- 24. [ 34] .. 桑晓鸣, 陈.. 彬, 郝永进, 等. 便携式明渠流量计检定装置概述[ J] . 工业测量, 2006( S1 ): 66- 69. [ 35] .. 胡德才, 张琼飞. 流量计检定数据采集方法[ J] . 油气田地面工程, 2005, 24( 8 ) : 38- 38. [ 36] .. 蒋祖华. 超声流量计的检定及误差分析[ J ]. 石油工业技术监督, 2004( 4) : 28 - 30. [ 37] .. 崔海亮. 电磁流量计的正确选择与安装使用[ J] . 科技信息, 2008 ( 23) : 82 - 85. [ 38] .. 刘.. 伟. 水表检定装置功能扩充探讨[ J ] . 航空计测技术, 2002, 22( 2) : 47- 48. [ 39] .. 祝龙林, 梁.. 冰. 流量计的在线检定[ J] . 油气储运, 2005, 24 ( 6 ): 43- 46. [ 40] .. 翟胜良, 唐湛淇. 静态质量法流量标准装置检定中的常见问题及对策[ J]. 中国计量, 2007 ( 10) : 86 - 86.--扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、v锥流量计、v型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入式涡街流量计、智能涡街流量计、锥型流量计、v锥型流量计、节流装置、节流孔板、限流孔板等流量产品，更多有关电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计的信息请访问开封中仪网站：