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摘要:針對(duì)水量計(jì)量流量計(jì)無(wú)法離線送檢的情況，流量計(jì)一在其他行業(yè)的在線校準(zhǔn)方法、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景，分析了現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法與裝置的基本原理和特點(diǎn)。利用便攜式超聲流量計(jì)準(zhǔn)確度高、安裝方便的特點(diǎn)，提出了基于現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)方法用于水利行業(yè)開(kāi)展校準(zhǔn)技術(shù)研究，并重點(diǎn)闡述便攜式超聲流量計(jì)用于液體流量計(jì)實(shí)流在線校準(zhǔn)的技術(shù)要求、測(cè)量過(guò)程和計(jì)算方法r可為今后有效開(kāi)展計(jì)量校準(zhǔn)工作提供切實(shí)可靠的基礎(chǔ)。
1流量計(jì)的計(jì)量與校準(zhǔn)
　　水量計(jì)量是進(jìn)行水資源宏觀調(diào)控和微觀管理的重要基礎(chǔ)性技術(shù)措施，但以往水利行業(yè)計(jì)量工作基礎(chǔ)薄弱，涉及水量計(jì)量的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)化裝置、量值傳遞和溯源問(wèn)題十分突出。我國(guó)擁有大量的流量計(jì)測(cè)儀器，而普遍缺少校準(zhǔn)設(shè)備，尤其是管道流量計(jì)的在線校準(zhǔn)與檢定規(guī)程在水利行業(yè)還是一個(gè)空白，計(jì)量的正確率問(wèn)題PR待解決。根據(jù)國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)《用能單位能源計(jì)量器具配備和管理通則》(GB17167-2006)的要求及相關(guān)的計(jì)量法規(guī)，作為結(jié)算的流量計(jì)，都需要進(jìn)行周期檢定。但是，法規(guī)中的檢定周期并不能保證在用流量計(jì)的正確率。由于使用場(chǎng)合和介質(zhì)的復(fù)雜性，很多流量計(jì)還沒(méi)有到檢定周期就已經(jīng)超差，因此需要通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的核查方式來(lái)保證流量計(jì)量的正確率。
　　校準(zhǔn)(calibration)有時(shí)也稱(chēng)標(biāo)定或校驗(yàn)。以前流量?jī)x表業(yè)內(nèi)對(duì)流量值傳遞性質(zhì)的校準(zhǔn)習(xí)慣用“標(biāo)定”，水工業(yè)內(nèi)習(xí)稱(chēng)“率定”，用戶對(duì)判別準(zhǔn)確度性質(zhì)的校準(zhǔn)過(guò)程稱(chēng)為“校驗(yàn)”，現(xiàn)在這些名稱(chēng)漸趨一致，改用“校準(zhǔn)”。流量計(jì)的流量校準(zhǔn)有直接測(cè)量法和間接測(cè)量法兩種方法，校準(zhǔn)方式分為離線和現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)兩種方式。
　　直接測(cè)量法亦稱(chēng)實(shí)流校準(zhǔn)法，以實(shí)際流體流過(guò)被校驗(yàn)儀表，再用別的標(biāo)準(zhǔn)裝置(標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)或流量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具)測(cè)出流體的流量與被校儀表的流量值作比較，也稱(chēng)為濕法標(biāo)定(wetcalibration)。實(shí)流校準(zhǔn)法獲得的流量值既可靠又準(zhǔn)確，為目前許多流量?jī)x表(如電磁流量計(jì)、容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等)所采用，而且作為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)流量的方法。制造廠在流量計(jì)出廠前均以實(shí)流校準(zhǔn)法在流量校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)裝置(有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置或流量校準(zhǔn)裝置)上完成流量量值傳遞過(guò)程。流量校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)裝置是按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和檢定規(guī)定建立的，并由國(guó)家授權(quán)的專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)認(rèn)定，能作流量量值傳遞的裝置，是提供流量量值的校準(zhǔn)設(shè)備，其量值可溯源到質(zhì)量、時(shí)間和溫度的國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)量。從計(jì)量學(xué)意義上，在線實(shí)流校準(zhǔn)最符合正確率、一致性、溯源性和實(shí)驗(yàn)性等計(jì)量特點(diǎn)。
　　干法校準(zhǔn)是一種間接校準(zhǔn)法，是以測(cè)量電磁流量傳感器的流通面積、結(jié)構(gòu)尺寸和磁通密度B等參數(shù)來(lái)計(jì)算流量值。干法校準(zhǔn)是在20世紀(jì)70年代以解決大口徑電磁流量計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)流校準(zhǔn)的校準(zhǔn)方法，在日本曾作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《應(yīng)用電磁流量計(jì)測(cè)量流量的方法》這類(lèi)專(zhuān)用儀器的應(yīng)用現(xiàn)在已從水行業(yè)擴(kuò)展到石油北工等流程工業(yè)。
　　目前國(guó)內(nèi)對(duì)干法校準(zhǔn)進(jìn)行了一定的研究，如浙江大學(xué)重點(diǎn)分析了渦電場(chǎng)測(cè)量法與面權(quán)重函數(shù)法兩種新型干標(biāo)定方法的測(cè)量原理、特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方法;上海地區(qū)探索和制定了“在線檢驗(yàn)法”，積累了多臺(tái)大口徑電磁流量計(jì)檢查經(jīng)驗(yàn)，正在制訂《電磁流量?jī)x在線校驗(yàn)規(guī)范》地方行業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)’廣州市自來(lái)水公司還起草了中華人民共和國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《管道式電磁流量計(jì)在線校準(zhǔn)規(guī)程》(征求意見(jiàn)稿)41，等等。但是干法校準(zhǔn)多用來(lái)檢修或判別電磁流量討一傳感器有關(guān)技術(shù)參數(shù)的變化對(duì)測(cè)量精度的影響。因?yàn)檫@種方法不直觀，不能直接反映管道的中水流量。
2現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法與裝置
　　在江河湖泊的管道取水計(jì)量設(shè)備主要采用電磁流量計(jì)或超聲波流量計(jì)，而檢測(cè)流量的傳感器(包括渦輪、差壓、容積和質(zhì)量等其他類(lèi)型的流量計(jì))安裝在管道內(nèi)，不便于拆卸或受工況的影響根本無(wú)法拆卸，如大型輸水管不允許停水，大口徑流量計(jì)設(shè)備安裝復(fù)雜，體積大、重量大難以運(yùn)輸送檢等。流量計(jì)廣泛應(yīng)用于水量計(jì)量和公用事業(yè)，按規(guī)定必須在受控狀態(tài)下運(yùn)行和定期校準(zhǔn)。如何對(duì)越來(lái)越多的大管徑、大流量的液體流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)在線實(shí)流校準(zhǔn)，成為一個(gè)意義重大的問(wèn)題。因此，水利行業(yè)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)在線校準(zhǔn)技術(shù)研究是很有必要的，也是非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
　　流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)和驗(yàn)證實(shí)際上是在現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)流量測(cè)量系統(tǒng)(包括流量計(jì)、前后連接管道、介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)等)的檢測(cè)運(yùn)作，目前我國(guó)尚沒(méi)有明確的在線檢定的計(jì)量法規(guī)，現(xiàn)場(chǎng)在線校準(zhǔn)方法與技術(shù)研究有望為流量計(jì)在線檢定開(kāi)拓出一個(gè)可供借鑒與參考的有效途徑。
2.1現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法與常用標(biāo)準(zhǔn)裝置
　　目前采用現(xiàn)場(chǎng)在線校準(zhǔn)的方法有流量標(biāo)準(zhǔn)裝置法和示蹤法，流量標(biāo)準(zhǔn)裝置法又分為固定安裝的基地式和移動(dòng)式，其體系如圖1所示。
2.1.1基地式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置
(1)標(biāo)準(zhǔn)體積管。一般采用一套體積管流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和相應(yīng)的切換閘閥，就可實(shí)施流量計(jì)的定時(shí)輪換在線校準(zhǔn)。如圖2所示，關(guān)閥1，開(kāi)閥2，流體經(jīng)待校流量計(jì)后進(jìn)人標(biāo)準(zhǔn)體積管實(shí)現(xiàn)在線校準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)原油貿(mào)易計(jì)量基本實(shí)行了這種方法。
(2)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)。固定安裝標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)系統(tǒng)組成與圖2相似，只是用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)替代圖中的標(biāo)準(zhǔn)體積管。很明顯，基地式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置需要在管道上預(yù)留較多的連接管線和切換控制閘閥等輔助設(shè)備，有些類(lèi)型流量計(jì)購(gòu)置費(fèi)較低，但其輔助設(shè)備費(fèi)用會(huì)大大超過(guò)流量計(jì)本身購(gòu)置費(fèi)，這種現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置實(shí)際上在大部分取排水管道上是不具備的。

2.1.2移動(dòng)式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置
　　移動(dòng)式與基地式的基本相同，只不過(guò)標(biāo)準(zhǔn)裝置是由專(zhuān)用的汽車(chē)或拖車(chē)裝載，移動(dòng)式車(chē)載流量標(biāo)準(zhǔn)裝置靈活性高，到現(xiàn)場(chǎng)檢定方便，但裝置設(shè)備費(fèi)用較高。
2.2示蹤法
　　在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用示蹤法校準(zhǔn)流量計(jì)國(guó)際上已相當(dāng)成熟，早在20世紀(jì)70年代就頒發(fā)了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO2975一(1一7)《封閉管道中水流量測(cè)量—示蹤法》，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用放射性示蹤劑或非放射性示蹤劑的實(shí)施方法和要求。示蹤法測(cè)量的基本工作原理有兩類(lèi):一是恒速注人法(也有稱(chēng)稀釋法)，是在管道的液體中恒速注人示蹤劑，然后測(cè)量示蹤劑沿管道長(zhǎng)度方向的稀釋比例，按擴(kuò)散稀釋理論計(jì)算流量;二是示蹤劑瞬時(shí)注人，然后測(cè)量示蹤物流經(jīng)一段距離所需的時(shí)間計(jì)算流量，稱(chēng)為傳輸時(shí)間法。傳輸時(shí)間示蹤法也使用于明渠流、非滿管流或疑有沉淀物的滿管流的流量校準(zhǔn)。
　　近些年國(guó)內(nèi)也在探索示蹤法，試圖在線校準(zhǔn)大口徑水流量計(jì)。
但是，化學(xué)試劑和同位素示蹤劑污染環(huán)境，破壞水質(zhì)，在水行業(yè)一般很少采用。
2.3現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)法
　　現(xiàn)場(chǎng)“流量比對(duì)”是指流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)與其他“參照流量”進(jìn)行比較，例如臨時(shí)夾裝的超聲波流量計(jì)的測(cè)量值、流人管系中已丈量過(guò)容量的液體體積等都可作為“參照流量”。關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、比對(duì)和驗(yàn)證等名詞的含義，可參看相關(guān)文獻(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)定義，不再贅述。實(shí)踐中許多專(zhuān)業(yè)人員探索出多種現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)的方法和間接檢查方法，主要有以下3種類(lèi)型:
(1)利用流程中存儲(chǔ)容器、工作容器、水池或衡器的容器衡器法比對(duì)。水池容積比對(duì)法是供水企業(yè)經(jīng)常采用的方法，制水廠利用大容積清水池的有利條件，可獲得較高的比對(duì)精度。
(2)在待測(cè)流量計(jì)的管線預(yù)留位置，以備接人參比流量計(jì)的流量計(jì)比對(duì)法。
(3)外敷式超聲換能器的超聲流量計(jì)比對(duì)法。外敷式亦稱(chēng)外貼式、外夾式、捆綁式，超聲波流量計(jì)是流量測(cè)量最有發(fā)展前途的三種途徑之一:特別是國(guó)外已有產(chǎn)品測(cè)量精度誤差<土0.5%，這有利于高精度的對(duì)比檢測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)在線校準(zhǔn)系統(tǒng)的建立，方便計(jì)量檢定部門(mén)到現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)檢測(cè)。
3運(yùn)用便攜式超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)在線校準(zhǔn)
　　利用便攜外敷式換能器超聲流量計(jì)比對(duì)使用中的流量計(jì)，在供水業(yè)應(yīng)用十分普遍。便攜式超聲波流量計(jì)既是一種外敷式又是一種便攜式的流量計(jì)量器具，比較適用于大口徑流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)和校準(zhǔn)，可供水利行業(yè)的相關(guān)檢測(cè)參考借鑒。這里對(duì)有關(guān)的原理、方法和設(shè)備等進(jìn)行歸納和闡述。
3.1外敷式換能器超聲流量計(jì)比對(duì)法原理
　　其原理是:將準(zhǔn)確度較高的便攜式超聲波流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器具，安裝在被測(cè)管道上進(jìn)行檢測(cè)，然后將測(cè)量值和被檢流量計(jì)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)比對(duì)結(jié)果計(jì)算被檢流量計(jì)的誤差，誤差二(測(cè)量值一標(biāo)準(zhǔn)值)/標(biāo)準(zhǔn)值，再利用計(jì)算的相對(duì)誤差調(diào)整被檢流量計(jì)的系數(shù)，使被檢流量計(jì)與便攜式超聲波流量計(jì)顯示流量數(shù)據(jù)一致，以達(dá)到校準(zhǔn)被檢流量計(jì)的效果。
3.2標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的技術(shù)要求
　　在線校準(zhǔn)采用的便攜式超聲流量計(jì)應(yīng)具有國(guó)家法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)出具的檢定證書(shū)，便攜式超聲流量計(jì)的安裝、使用應(yīng)嚴(yán)格按其操作使用說(shuō)明書(shū)進(jìn)行，應(yīng)符合《超聲流量計(jì)檢定規(guī)程》(JJG1030-2007)附錄D的要求}lo;。
在線校準(zhǔn)用的其他輔助設(shè)備，如卷尺、測(cè)厚儀、秒表等計(jì)量器具均應(yīng)具有有效的檢定證書(shū)，被校流量計(jì)應(yīng)附有使用說(shuō)明書(shū)，周期校準(zhǔn)的流量計(jì)還應(yīng)有前次的校準(zhǔn)證書(shū)�，F(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)溫度、濕度、外界磁場(chǎng)、機(jī)械振動(dòng)等環(huán)境條件，應(yīng)符合開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的環(huán)境條件要求，同時(shí)明確測(cè)量介質(zhì)及工作狀態(tài)、介質(zhì)溫度等工況參數(shù)，了解被校流量?jī)x表工作狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置，確認(rèn)可以開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。
3.3測(cè)量過(guò)程及計(jì)算方法
(1)管徑測(cè)量。用量具分別在換能器安裝位置附近的同一截面上大致等角分布測(cè)量n次外直徑，或測(cè)量幾次外周長(zhǎng)推算出外直徑，其平均值D按式(1)計(jì)算:

式中:n為測(cè)量次數(shù)，n≥4;D為第i點(diǎn)測(cè)得的管道外直徑或推算出的外直徑。
(2)壁厚測(cè)量。在換能器安裝位置均布5個(gè)點(diǎn)，使用測(cè)厚儀測(cè)量管道壁厚，并取其平均值。對(duì)無(wú)法測(cè)量的參數(shù)，如管道材質(zhì)、襯里材料、厚度等，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)資料查明并確認(rèn)。
(3)標(biāo)準(zhǔn)表安裝。將上述管道參數(shù)輸人標(biāo)準(zhǔn)表內(nèi)，得出換能器安裝距離。在安裝標(biāo)準(zhǔn)表管段上畫(huà)線定位，確定換能器的位置。清理已定安裝位置附近的管壁，將管壁上的油漆、鐵銹、污垢等清除干凈，露出管道材質(zhì)，打磨光滑。在換能器表面均勻涂以禍合劑，換能器上標(biāo)志對(duì)準(zhǔn)安裝位置，使其發(fā)射面與管壁緊密接觸，并固定在管道上。將換能器信號(hào)傳輸電纜連接到轉(zhuǎn)換器上，按要求將信號(hào)調(diào)試到最佳狀態(tài)。
(4)計(jì)量性能校準(zhǔn)。在一定的時(shí)間內(nèi)分別讀取被校流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)表的流量示值，分別按式(2)~式(4)計(jì)算被校流量計(jì)的示值誤差和重復(fù)性:

　　式中:E。為流量計(jì)每個(gè)流量點(diǎn)每次校準(zhǔn)的相對(duì)示值誤差;qij為第i流量點(diǎn)第j次校準(zhǔn)時(shí)的流量計(jì)示值(瞬時(shí)值或累積值);(qs)。為第i流量點(diǎn)第j次校準(zhǔn)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)表示值(瞬時(shí)值或累積值);Ei為被校流量計(jì)第i流量點(diǎn)示值誤差;(Er):為被校流量計(jì)第i流量點(diǎn)重復(fù)性。
　　流量點(diǎn)一般選擇1~3個(gè)，每個(gè)流量點(diǎn)校準(zhǔn)3次。每次校準(zhǔn)時(shí)，同時(shí)讀取并記錄流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)表的示值，比對(duì)標(biāo)定法必須保證比對(duì)過(guò)程中時(shí)間的同步。若讀取的數(shù)值為瞬時(shí)值，則至少讀取20個(gè)數(shù)值，取其平均值;若讀取的數(shù)值為累積值，則應(yīng)保證大于最小讀數(shù)的1000倍或讀取至少20min。的累積值。
　　便攜式超聲波流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中具有不可替代的優(yōu)勢(shì):可實(shí)現(xiàn)不斷流測(cè)量，設(shè)備體積小，便于攜帶，安裝方便;外敷式探頭，不干擾流場(chǎng)，無(wú)壓力損失;儀表無(wú)可動(dòng)及易損部件，穩(wěn)定性好;適用范圍廣，可用于各種類(lèi)型流量計(jì)的在線比對(duì);適應(yīng)性強(qiáng)，可用于不同管徑、不同介質(zhì)(高溫、高壓、易爆、高勃度、強(qiáng)腐蝕、放射性高)的比對(duì)，標(biāo)準(zhǔn)表價(jià)格基本與所測(cè)管徑無(wú)關(guān)，性價(jià)比高。
　　但是，便攜式超聲波流量計(jì)受其自身測(cè)量方式的限制，測(cè)量精度受到很多外界因素的影響，人為因素對(duì)測(cè)量的影響較大，對(duì)專(zhuān)業(yè)檢測(cè)人員的技術(shù)性和經(jīng)驗(yàn)性要求很強(qiáng)、操作要求很高，還需要在實(shí)踐中進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)，形成技術(shù)規(guī)范。
4結(jié)論
　　現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法是計(jì)量技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，特別是運(yùn)用便攜式超聲波流量計(jì)開(kāi)展在線流量計(jì)的校準(zhǔn)是可行的方法，能極大地方便現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量校準(zhǔn)工作，有效降低計(jì)量方面的資金消耗，易于推廣應(yīng)用。資料表明，通過(guò)開(kāi)展流量計(jì)量?jī)x表現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)的研究與應(yīng)用，可以提高計(jì)量檢測(cè)水平，達(dá)到周期性計(jì)量檢定的目的，使在線流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，只要準(zhǔn)確操作，盡量減少隨機(jī)誤差和附加誤差，是可以達(dá)到國(guó)家有關(guān)部門(mén)對(duì)于工業(yè)及民用水計(jì)量準(zhǔn)確度要求的。

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