電磁流量計(jì)以其安裝方便、正確率高等優(yōu)點(diǎn)在自來水、熱水熱能貿(mào)易結(jié)算中被廣泛應(yīng)用,并被要求進(jìn)行定期的計(jì)量檢定。在我國,0.5級(jí)以下電磁流量計(jì)的檢定周期為兩年。事實(shí)上,許多大口徑電磁流量計(jì)(一般為DN400mm以上)由于拆裝、運(yùn)輸和生產(chǎn)等問題,無法實(shí)現(xiàn)定期離線檢定,造成計(jì)量失控,引發(fā)諸多貿(mào)易糾紛。因此，需要建立-套能夠?qū)﹄姶帕髁坑?jì)進(jìn)行在線檢定或校準(zhǔn)的方法，在保證有效溯源性的前提下,實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁流量計(jì)的量值溯源，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場電磁流量計(jì)的在線計(jì)量檢定�；蜃畹拖薅忍峁┮环N手段，能夠?qū)υ诰�電磁流量計(jì)進(jìn)行期間核查,在一定不確定度范圍內(nèi)對(duì)在線電磁流量計(jì)的計(jì)量特性進(jìn)行確認(rèn)，達(dá)到延長電磁流量計(jì)離線檢定周期的目的。
一、研究背景
根據(jù)上述存在的問題，有關(guān)專家也提出過多種在線檢定或校準(zhǔn)方案,歸納起來,其主流方案主要有兩種:一種是勵(lì)磁線圈檢查法,即在傳感器安裝勵(lì)磁線圈的腔體內(nèi)置一標(biāo)準(zhǔn)線圈,標(biāo)準(zhǔn)線圈的銅電阻與勵(lì)磁線圈的銅電阻相近,通過外圍電路控制實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)線圈和勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行比較,以檢查勵(lì)磁線圈當(dāng)前產(chǎn)生的信號(hào)與原來產(chǎn)生信號(hào)的一致性,從而確定電磁流量計(jì)的計(jì)量特性是否發(fā)生變化,這種方法又稱為電磁流量計(jì)的“干標(biāo)”方法;另一種方法是非接觸測量法,即利用外夾式超聲波流量計(jì)夾持在被測流量計(jì)管道上，通過比對(duì)兩臺(tái)流量計(jì)的流量來確定被檢流量計(jì)的計(jì)量特性。
應(yīng)該說上述兩種方法理論上都有其合理性,但存在方法設(shè)計(jì).上的缺陷，無法保證量值溯源性和可靠性,因此,無法得到法律層面上的認(rèn)可。首先,第一種方法，由于標(biāo)準(zhǔn)線圈是直接設(shè)計(jì)到流量計(jì)表體中的，我們無法對(duì)其電阻等指標(biāo)的性能進(jìn)行定期的量值溯源，無法判斷一段時(shí)間后標(biāo)準(zhǔn)線圈的計(jì)量性能是否發(fā)生變化,所以,用其作為計(jì)量傳遞的標(biāo)準(zhǔn)顯然有缺陷。
第二種方法,時(shí)差法外夾式超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于可以定期對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行檢定。超聲波流量計(jì)測量流量的原理是根據(jù)速度面積法求得流量qʋ的，其公示為
qʋ=`VA(1)
式中:`V一管道內(nèi)流體截面上平均流速;A一流體流經(jīng)管道的截面積。
從式(1)中可以看到，要得到正確的流量,必須得到正確的管道平均流速和截面積。其中，時(shí)差法超聲波流量計(jì)測量流速可以得到滿意的結(jié)果但是,現(xiàn)場管道由于未經(jīng)特別加工很難確定管道的截面積。因此，無法控制外夾式超聲波流量計(jì)現(xiàn)場測量精度,通常外夾式超聲波流量計(jì)的測量相對(duì)示值誤差能達(dá)到1%~5%,正確率較低,已失去對(duì)現(xiàn)場電磁流量計(jì)進(jìn)行比對(duì)的意義。
二、方案的提出和分析
比較上述兩種方案，從理論上來講都是可行的。但第二種方法更容易實(shí)現(xiàn)量值的溯源和檢定中不確定度分量的控制。只要在量值傳遞過程中將流量測量可能引入的不確定度分量控制在可允許的范圍內(nèi),就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場電磁流量計(jì)正確的流量賦值。
1.外夾式超聲波流量計(jì)工作原理和測量不確定度分量分析
時(shí)差法超聲波流量計(jì)是以超聲波在流體內(nèi)順逆兩個(gè)傳播方向,利用傳播時(shí)間差與流體流速之間的關(guān)系求得流體流量的,工作原理如圖1所示。
根據(jù)聲波在順逆兩個(gè)方向傳播的時(shí)間差可得到該傳播方向.上的流體線平均流速(V):
式中::C一聲速;L一聲波傳播距離;0一聲道夾角;t1、t2--聲波順逆向傳播時(shí)間。
根據(jù)比爾蓋兒法計(jì)算出面流速V:
式中:K--補(bǔ)償系數(shù)(K=1.119+0.011lgRe;Re為雷諾數(shù)),在--定雷諾數(shù)范圍內(nèi)可視為常數(shù),在使用中可以通過水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)定給出。
根據(jù)_上述公式,可得流量計(jì)算公式為
式中:d-管道直徑。
從式(4)中可以看到,h以和超聲波流量計(jì)所使用的時(shí)基精度相關(guān),作為用于量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)表,流量計(jì)可選取較高精度等級(jí)的時(shí)基，因此,t1、t2測量引入的不確定度可以忽略不計(jì)。如果采取相應(yīng)的措施保證d和L的測量不確定度足夠小，直至可以忽略不計(jì),則流量測量的不確定度僅和K的標(biāo)定精度相關(guān)。
2.外夾式超聲波流量計(jì)特征尺寸的確定
為保證d和L的測量精度足夠高，應(yīng)在被檢電磁流量計(jì)的管路上預(yù)裝標(biāo)準(zhǔn)管段以安裝外夾式超聲波流量計(jì)。由于標(biāo)準(zhǔn)管段是一個(gè)經(jīng)過加工的直管段,因此,不會(huì)增加太大的成本。
標(biāo)準(zhǔn)管段內(nèi)徑的加工可參照GB/T2624--2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》中對(duì)節(jié)流件上游2D范圍內(nèi)管道內(nèi)徑的加工要求。加工后的標(biāo)準(zhǔn)管段應(yīng)分別在至少3個(gè)截面的4個(gè)不同方向進(jìn)行d值測量,加工偏差應(yīng)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
聲波傳播距離L的確定主要是避免每次測量管道圓度不夠、外壁腐蝕以及換能器和管道間裝夾間隙不同,對(duì)傳播距離L的影響�？稍跇�(biāo)準(zhǔn)管段外壁加工固定的安裝位置并設(shè)加裝螺孔,在加裝換能器時(shí)用扭力扳手緊固,確保每次裝夾間隙的一致性。
在標(biāo)準(zhǔn)管段和外夾式超聲波流量計(jì)-起在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置.上檢定后,將標(biāo)準(zhǔn)管段預(yù)裝在現(xiàn)場管道,并在換能器安裝位置加裝防護(hù)罩。由于標(biāo)準(zhǔn)管段結(jié)構(gòu)、加工要求和使用環(huán)境與文丘里管有極度的相似性,因此,其使用周期可以采用和文丘里管相等的檢定周期,即檢定周期為4年。每年利用標(biāo)準(zhǔn)管段和外夾式超，聲流量計(jì)對(duì)在線電磁流量計(jì)進(jìn)行核查，如核查結(jié)果滿意則順延電磁流量計(jì)的檢定周期，否則電磁流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)管段均應(yīng)離線檢定。每--個(gè)外夾式超聲波流量計(jì)可以和任意管徑的標(biāo)準(zhǔn)直管段配合并擁有該套配置的k值及相應(yīng)的精度,通過定期的期間核查達(dá)到延長電磁流量計(jì)檢定周期的目的。
三、標(biāo)準(zhǔn)管段和外夾式超聲波流量計(jì)的管理策略
需要對(duì)外夾式超聲波流量計(jì)及對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)管段進(jìn)行檢定,標(biāo)定一定流量范圍內(nèi)各流量點(diǎn)的k值并確定對(duì)應(yīng)的不確定度,同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)管段的幾何尺寸進(jìn)行檢定。進(jìn)行現(xiàn)場核查,以JJF1033--2008<計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》規(guī)定的傳遞比較法作為判定核查結(jié)果滿意與否的依據(jù)。
1.檢定要求
(1)標(biāo)準(zhǔn)管段的幾何尺寸的檢定
在標(biāo)準(zhǔn)管段入口、出口和中間3個(gè)截面進(jìn)行內(nèi)徑測量,任何一內(nèi)徑與內(nèi)徑平均值之差應(yīng)小于內(nèi)徑平均值的±0.4%，當(dāng)所有被測內(nèi)徑和內(nèi)徑平均值之差均符合_上述要求時(shí),則認(rèn)為滿足要求。
(2)k值確定和補(bǔ)償系數(shù)的檢定
當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)管段和測量介質(zhì)確定后,每個(gè)流量點(diǎn)下檢定時(shí),式(4)中的L、d、θt1、t2即可視為常數(shù),根據(jù)要測量流量點(diǎn)g,的大小,計(jì)算出k值并設(shè)入與外夾式超聲波流量計(jì)配套的流量積算儀。
設(shè)定后的超聲波流量計(jì)應(yīng)成套在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行標(biāo)定。按以下公式計(jì)算出補(bǔ)償系數(shù)K.,取各點(diǎn)平均值輸入與外夾式超聲波流量計(jì)配套的流量積算儀:
式中:qo-水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置給出的實(shí)際流量。
根據(jù)相應(yīng)的檢定規(guī)程對(duì)相應(yīng)的流量點(diǎn)進(jìn)行檢定,并給出相應(yīng)的精度。這里僅對(duì)每個(gè)流量點(diǎn)的重復(fù)性檢定給出特殊規(guī)定。每個(gè)流量點(diǎn)應(yīng)做不少于6組試驗(yàn),每組檢定次數(shù)不少于6次。每組試驗(yàn)前均應(yīng)按要求將外夾式超聲波流量計(jì)重新安裝。試驗(yàn)結(jié)束后按式(6)計(jì)算重復(fù)性E,:.
式中:m一測量組數(shù);n一每組包含的測量次數(shù);K*ij一第j組中第k次測量結(jié)果;`K*j一第j組測量結(jié)果的平均值。
計(jì)算結(jié)果應(yīng)小于精度的1/2。
2.電磁流量計(jì)現(xiàn)場核查
根據(jù)檢測結(jié)果設(shè)定對(duì)應(yīng)的參數(shù),利用現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)管段對(duì)現(xiàn)場電磁流量計(jì)進(jìn)行核查試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)至少在使用的流量范圍內(nèi)取3個(gè)流量點(diǎn)，每--個(gè)流量點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果按式(7)進(jìn)行比對(duì)。
式中:q1一電磁流量計(jì)示值;q一外夾式超聲波流量計(jì)示值;U一外夾式超聲波流量計(jì)測量不確定度;U1一電磁流量計(jì)標(biāo)稱測量不確定度。
試驗(yàn)結(jié)果如滿足式(7)的要求,即認(rèn)為結(jié)果滿意,電磁流量計(jì)可繼續(xù)使用。電磁流量計(jì)可在此保證條件下使用4年,到期后應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)管段一并送檢。
四、結(jié)束語
利用外夾式超聲波流量計(jì)對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行在線核查來驗(yàn)證在線電磁流量計(jì)的工作狀況,一-定程度上可以延長電磁流量計(jì)的檢定周期,在有限試驗(yàn)次數(shù)上證明是可行的,但該方法也存在一定的局限性,如外夾式超聲波流量計(jì)發(fā)生換能器損壞，將會(huì)影響多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管段的使用風(fēng)險(xiǎn),需要進(jìn)一步研究。
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