摘要：大口徑電磁流量計(jì)使用中很難送往實(shí)驗(yàn)室檢定,現(xiàn)在通常采取的是使用同級(jí)別超聲波流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。而受限于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、安裝位置等因素對(duì)兩種流量計(jì)測(cè)量結(jié)果的影響，校準(zhǔn)結(jié)果往往需要根據(jù)校準(zhǔn)實(shí)際情況進(jìn)行符合性研究,使校準(zhǔn)工作變得有意義。
0引言
隨著政府及社會(huì)對(duì)于水資源重視程度的提高,供水企業(yè)本身對(duì)于供水環(huán)節(jié)經(jīng)濟(jì)核算的要求,使得大口徑的流量計(jì)需求日益增加。與此同時(shí)，污水處理量的增長也使得許多污水處理廠紛紛選擇使用大口徑流量計(jì)作為計(jì)量端口。污水電磁流量計(jì)因其無壓力損失且不受管道內(nèi)流體密度、黏度、溫度等因素的影響,成為污水處理企業(yè)的首選。
大口徑電磁流量計(jì)的在線使用數(shù)量十分龐大,精度等級(jí)-般為0.5級(jí)或1.0級(jí)。對(duì)于電磁流量計(jì),國家有《JJG1033--2007電磁流量計(jì)》檢定規(guī)程,規(guī)程規(guī)定需將被檢電磁流量計(jì)安裝在液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行檢定。這就要求使用企業(yè)先停止處理污水,然后將流量計(jì)從管道上拆卸下來,送到法定計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定。這在實(shí)際狀況下是極其困難的,時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上都不允許。因此,大部分企業(yè)只能選擇在線校準(zhǔn)模式對(duì)流量計(jì)進(jìn)行誤差驗(yàn)證。
由于現(xiàn)場(chǎng)管道的封閉性,使用嵌人式或插人式的標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)是不可行的,而外夾式的液體超聲波流量計(jì)精度往往劣于被校電磁流量計(jì)。綜合以上因素,目前國內(nèi)對(duì)大口徑電磁流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)通常采用相同精度等級(jí)的外夾式超聲波流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行比較,即讓超聲波流量計(jì)與被校準(zhǔn)電磁流量計(jì)串聯(lián)在現(xiàn)場(chǎng)管道中,同步讀取兩者的示值。
檢測(cè)人員在出具校準(zhǔn)證書時(shí)給出兩種流量計(jì)的示值并評(píng)定測(cè)量結(jié)果的不確定度�，F(xiàn)在出現(xiàn)了一個(gè)普遍性的問題:校準(zhǔn)的示值誤差經(jīng)常大大超過被校流量計(jì)的最大允許誤差,且不確定度分析不夠全面。原因在于一方面標(biāo)準(zhǔn)器的精度等級(jí)與被校流量計(jì)平級(jí),示值誤差期望本身就比較大;另一方面,流量計(jì)本身之外的因素對(duì)測(cè)量結(jié)果也有比較大的影響,如環(huán)境條件、介質(zhì)、安裝位置等。
很多用戶購買流量計(jì)后,把流量計(jì)的精度誤認(rèn)為整個(gè)流量體系的精度。校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)偏離就讓許多用戶產(chǎn)生疑問甚至糾紛,這就導(dǎo)致了校準(zhǔn)數(shù)據(jù)常常讓使用方無法判斷示值誤差是否準(zhǔn)確,也無法精確修正誤差,更不能實(shí)現(xiàn)溯源性,校準(zhǔn)就失去了意義。
國家目前沒有電磁流量計(jì)的校準(zhǔn)規(guī)范,所以檢測(cè)人員在校準(zhǔn)電磁流量計(jì)時(shí)往往參照電磁流量計(jì)檢定規(guī)程。問題在于,檢定電磁流量計(jì)時(shí)是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行,然而現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)的管道、安裝距離等條件并非如實(shí)驗(yàn)室里那樣理想,按照檢定規(guī)程的方法校準(zhǔn)電磁流量計(jì),得到的測(cè)量結(jié)果是否有效?所以檢測(cè)人員往往只能給出現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的校準(zhǔn)結(jié)果,而無法對(duì)校準(zhǔn)的符合性進(jìn)行判斷。
1.電磁流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)符合性研究的必.要性
根據(jù)《JJF1094-2002測(cè)量?jī)x器特性評(píng)定》要求,對(duì)測(cè)量?jī)x器特性進(jìn)行符合性評(píng)定時(shí),若評(píng)定示.值誤差的不確定度U95與被校測(cè)量?jī)x器最大允許誤差的絕對(duì)值MPEV滿足關(guān)系U95≤1/3MPEV時(shí),可不3'考慮示值誤差評(píng)定的測(cè)量不確定度的影響，是否合格的判定依據(jù)如表1所示。
MPEV參照說明書或出廠檢定,是已知的值,而示值誤差一旦校準(zhǔn)完成也可以確定,因此U95的評(píng)估至關(guān)重要。目前而言,校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評(píng)估往往僅考慮實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，只對(duì)測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性、標(biāo)準(zhǔn)器示值誤差帶來的不確定度進(jìn)行評(píng)定,忽略了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下電磁流量計(jì)安裝在較差狀態(tài)的管道或現(xiàn)場(chǎng)安裝條件達(dá)不到要求時(shí),其它各種因素帶來的不確定度影響。
對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果如何進(jìn)行評(píng)估?是一直困擾著檢測(cè)技術(shù)人員的難題。這里提出研究其符合性,可以判斷測(cè)量結(jié)果是否在可控范圍內(nèi)，校準(zhǔn)是否有效。進(jìn)行符合性評(píng)定的同時(shí),能幫助用戶理解校準(zhǔn)結(jié)果消除疑慮,亦可有效分析出問題所在,使得使用方更容易對(duì)癥下藥進(jìn)行整改。
2流量計(jì)原理
2.1電磁流量計(jì)
電磁流量計(jì)是應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)原理,根據(jù):導(dǎo)電流體通過外加磁場(chǎng)時(shí)感生的電動(dòng)勢(shì)來測(cè)量導(dǎo)電流體流量的一種儀器。體積流量q.與產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)成正比,檢測(cè)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)即可求出對(duì)應(yīng)流量值。
2.2超聲波流計(jì)
超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)一般使用外夾式時(shí)差法超聲波流量計(jì)。在規(guī)定位置安裝兩個(gè)超聲波換能器相互發(fā)射超聲波信號(hào),使聲波在流體中傳播,順流方向聲波傳播速度會(huì)增大,逆流方向則減小。同一傳播距離就有不同的傳播時(shí)間,利用傳播速度之差與被測(cè)流體流速之關(guān)系求取流速，再根據(jù)流體截面積計(jì)算出體積流量。
3符合性評(píng)定來源和影響因素
雖然標(biāo)準(zhǔn)器與被檢儀表在同一個(gè)管道中，介質(zhì)的物理性質(zhì)、環(huán)境條件和安裝位置基本相同,但同樣的因素對(duì)不同種類的流量計(jì)影響卻不一樣。這就決定了兩個(gè)精度相近的流量計(jì)在相同條件下測(cè)量結(jié)果可能相差很大，這些會(huì)導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果偏移的因素就是符合性評(píng)定的來源。
3.1必須符合的因素
3.1.1是否滿管的影響
電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)都屬于速度式流量計(jì),測(cè)量得到的是管道內(nèi)的平均流速,再根據(jù)管道截面積計(jì)算出流量值。然而當(dāng)管道內(nèi)流體不是滿管狀態(tài)時(shí),實(shí)際流體截面積小于滿管時(shí)的流體截面積,測(cè)量的結(jié)果就會(huì)偏離很大。所以測(cè)量前一定要確認(rèn)流體是否處于滿管流動(dòng)狀態(tài),對(duì)于非滿管的管道,無法進(jìn)行有效的校準(zhǔn)測(cè)量。
3.1.2安裝位置的影響
在流量計(jì)安裝位置的下游應(yīng)有一定的背壓,才能確保流體充滿管道。一般的安裝位置有四種:高位水平安裝、低位水平安裝、垂直向下安裝和垂直向上安裝。如圖1所示,其中高位水平安裝和垂直向下安裝極容易導(dǎo)致流體非滿管的情況,只允許垂直向上安裝和低位水平安裝。
3.2需要附加進(jìn)行評(píng)定的因素
3.2.1前后直管段的影響
流量計(jì)保證儀表安裝前后有一定長度的直管段,以確保流體到達(dá)被檢儀表時(shí)管道截面流速軸對(duì)稱分布。對(duì)于電磁流量計(jì),當(dāng)流體流速分布不均勻時(shí),每個(gè)流動(dòng)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于電極幾何位置的不同,對(duì)電極所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小也不同,測(cè)量結(jié)果就會(huì)有偏差。
超聲波流量計(jì)對(duì)直管段要求相比于電磁流量計(jì)更加苛刻,當(dāng)流體不穩(wěn)定時(shí),對(duì)聲波傳播速度和方向影響很大。在前后直管段相同的情況下，兩種流量計(jì)的測(cè)量誤差也不一樣。
3.2.2介質(zhì)的影響
當(dāng)介質(zhì)為含有雜質(zhì)的污水時(shí),會(huì)有化學(xué)、生物、物理污染物的影響。對(duì)于電磁流量計(jì),-些沉淀物會(huì)附著在電磁流量計(jì)電極表面,常常引起零點(diǎn)變動(dòng),故必須確認(rèn)是否周期性清理,未定期清理的電磁流量計(jì)會(huì)帶有附加誤差。
污水流動(dòng)過程中比凈水更容易產(chǎn)生氣泡，污水中的固體顆粒、生物因子、氣泡會(huì)嚴(yán)重阻礙超聲波的傳播和信號(hào)接收,對(duì)超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度影響是非常嚴(yán)重的。
3.2.3漸擴(kuò)管和漸縮管的影響
當(dāng)管道設(shè)計(jì)與電磁流量計(jì)口徑選型不符時(shí),常常使用漸變管進(jìn)行變徑。根據(jù)試驗(yàn)研究,角度小于15°、直管段距離大于5D(D為管道直徑)的漸擴(kuò)管和漸縮管對(duì)流體狀態(tài)幾乎沒有影響;而角度大于15或直管段距離小于5D時(shí),應(yīng)當(dāng)考慮漸擴(kuò)管和漸縮管對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
3.2.4管道狀態(tài)的影響
管道的缺陷一般包括:管道外部起銹或附著污泥,導(dǎo)致外徑測(cè)量偏大;管道類型為卷鋼,有焊接痕跡突起,導(dǎo)致外徑測(cè)量偏大;管道老化內(nèi)部有銹層，導(dǎo)致內(nèi)徑實(shí)際值偏小，流量隨之偏小。
電磁流量計(jì)與超聲波流量計(jì)流量計(jì)算原理同為流體平均流速乘以流體截面積，因此內(nèi)徑偏差導(dǎo)致的流體截面積誤差會(huì)對(duì)兩種流量計(jì)造成影響。超聲波流量計(jì)安裝時(shí)需要測(cè)量管道外徑,壁厚的測(cè)量只在打磨處進(jìn)行,因?yàn)閮?nèi)徑=外徑-壁厚,此時(shí)要考慮外徑測(cè)量偏大的影響。
3.2.5超聲波流量計(jì)換能器安裝距離的影響
參考文獻(xiàn)中的試驗(yàn)結(jié)果,超聲波流量計(jì)換能器安裝距離的偏差也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果有誤差。當(dāng)傳感器之間的安裝距離的相對(duì)誤差為4.7%時(shí),流量相對(duì)誤差為10.7%;管道內(nèi)徑相對(duì)誤差為-3.3%時(shí),流量相對(duì)誤差為-5.5%。因此安裝距離對(duì)于超聲波流量計(jì)的影響是非常大的。須根據(jù)有無換能器安裝標(biāo)尺,現(xiàn)場(chǎng)操作等因素評(píng)估誤差。
3.2.6其它因素影響
測(cè)量過程中還有其它因素會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的失準(zhǔn),如:電磁流量計(jì)周圍磁場(chǎng)影響、電磁流量計(jì)遠(yuǎn)傳線路過長對(duì)信號(hào)影響、噪音對(duì)超聲波流量計(jì)的聲波影響、流量計(jì)離泵過近(小于30D距離)帶來的流場(chǎng)不均勻的影響等。這些都是無法現(xiàn)場(chǎng)量化的誤差來源,應(yīng)盡量避免，消除產(chǎn)生誤差的可能性。
4評(píng)估與計(jì)算
用戶關(guān)心的是現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下流量的測(cè)量是否準(zhǔn)確。由于缺乏專業(yè)性,用戶會(huì)認(rèn)為校準(zhǔn)結(jié)果中的示值誤差就應(yīng)該代表流量測(cè)量時(shí)流量計(jì)的準(zhǔn)確性,經(jīng)常對(duì)證書給出的不確定度置之不理。
除了前文提到的測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性、標(biāo)準(zhǔn)器示值誤差引起的不確定度u1、u2,引入各種干擾因子的不確定度分量應(yīng)附加到校準(zhǔn)結(jié)果中,根據(jù)需要附加進(jìn)行評(píng)定的因素,有u3、u4、u5、u6等。得到:
5結(jié)論
最后評(píng)估的U95根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與測(cè)量過程一般在1.0%~4.0%之間。當(dāng)|0|≤MPEV+Uqs時(shí),校準(zhǔn)符合性判斷不合格;當(dāng)MPEV-U95≤|O|≤MPEV+U95時(shí),根據(jù)《JJF1094--2002測(cè)量?jī)x器特性評(píng)定》定義,校準(zhǔn)符合性結(jié)果屬于待定。即可以通過采用精度更高的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)、改善環(huán)境條件、增加測(cè)量次數(shù)和改變測(cè)量方法等措施,以降低測(cè)量不確定度評(píng)定。然而限制于校準(zhǔn)方法的困乏、標(biāo)準(zhǔn)器精度的局限、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的客觀存在,不確定度的評(píng)定始終無法達(dá)到U95≤1/3MPEV的程度,測(cè)量誤差也基本不可能滿足|Δ|≤MPEV-U95,那么對(duì)電磁流量計(jì)的校準(zhǔn)符合性研究結(jié)果只能停留在待定與不合格之間。
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