電磁流量計(jì)以其安裝方便、正確率高等優(yōu)點(diǎn)在自來(lái)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(guó),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(wèn)題,無(wú)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(chǎng)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(zhǎng)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(wèn)題，有關(guān)專家也提出過(guò)多種在線檢定或校準(zhǔn)方案,歸納起來(lái),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(guò)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(lái)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(cè)量法,即利用外夾式超聲波流量計(jì)夾持在被測(cè)流量計(jì)管道上，通過(guò)比對(duì)兩臺(tái)流量計(jì)的流量來(lái)確定被檢流量計(jì)的計(jì)量特性。
應(yīng)該說(shuō)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(wú)法保證量值溯源性和可靠性,因此,無(wú)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(wú)法對(duì)其電阻等指標(biāo)的性能進(jìn)行定期的量值溯源，無(wú)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(cè)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(cè)量流速可以得到滿意的結(jié)果但是,現(xiàn)場(chǎng)管道由于未經(jīng)特別加工很難確定管道的截面積。因此，無(wú)法控制外夾式超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度,通常外夾式超聲波流量計(jì)的測(cè)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(chǎng)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(lái)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(guò)程中將流量測(cè)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(chǎng)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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)量不確定度足夠小，直至可以忽略不計(jì),則流量測(cè)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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(guò)定期的期間核查達(dá)到延長(zhǎng)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(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量組數(shù);n一每組包含的測(cè)量次數(shù);K*ij一第j組中第k次測(cè)量結(jié)果;`K*j一第j組測(cè)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(chǎng)核查
根據(jù)檢測(cè)結(jié)果設(shè)定對(duì)應(yīng)的參數(shù),利用現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)管段對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量不確定度;U1一電磁流量計(jì)標(biāo)稱測(cè)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(yǔ)
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(lái)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(zhǎng)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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