超聲流量計 大口徑流量計在線校準
摘要：本文介紹了使用超聲流量計在線校準大口徑流量計時影響測量準確度的因素, 并對其測量結果進行了不確定度分析。
隨著經濟的快速發展, 大口徑流量計越來越多地應用于供水、供熱以及污水處理等行業。由于其多用于貿易結算或環境監測, 按照計量法規定應定期送到計量機構進行檢定。而現實情況是, 大口徑流量計拆卸難、送檢成本高, 企業難以承受。因此, 在線校準流量計在不影響企業正常生產的情況下既降低成本, 又滿足了計量管理的需要, 深受企業的歡迎。
大口徑流量計在線校準有三種常用方法, 分別是液位落差法、電氣參數法和標準表比對法。液位落差法是利用水池作為測量容器, 通過測量水位計算出容積, 該方法要占用一定廠房面積, 且修建時應保證一定的準確度;電氣參數法通過對被測表的電阻和轉換器等參數進行校準從而確定被測表性能, 但無法對流量計整體校準, 而且各個廠家的標準信號模擬器并不通用, 建標成本高;標準表比對法多使用超聲流量計為標準表與被校流量計串聯, 通過比對法確定被測流量計的準確度, 由于其通用性強, 操作簡單, 攜帶方便, 計量機構多采用以超聲流量計為標準表的比對法。
1、工作原理：
時差法超聲測流是利用超聲波在流體中的傳播特性測量流量的, 分別測量其順流、逆流的傳播時間tdown和tup, 得出時差值Δt從而計算出流體的軸向線平均流速v, 再利用流體力學原理修正后, 可得到軸向面平均流速vm, 乘以測量出流體的過流面積S就可算出測量面的體積流量qv。
按圖1所示, 順流、逆流傳播時間與各量之間的關系是:
圖1 超聲流量計工作原理圖
由式 (1) 、 (2) 可算出Δt, 同時由于在工業測量中超聲波在液體中傳播速度遠大于液體的流速, 則
那么, 由式 (3) 可得出流體軸向線平均流速的表達式
式中:L—聲道長度, cf—聲波在流體中傳播流速, φ—聲道角, X—探頭在管線方向上的安裝間距。
2、影響測量準確的因素：
2.1、前后直管段：
超聲流量計屬于速度式流量計, 其原理是建立在理想流場條件下點或線流速與面流速的函數關系之上的, 流場不穩定或流速太低都會使計量的準確性大打折扣。為保證有穩定的流體流場, 流量計應安裝在遠離泵的出口處, 在管道安裝位置要求上游直管段大于10D (D為管道內徑) , 下游直管段大于5D。如現場條件無法滿足, 應盡量遠離彎頭、閥門等擾流件, 選擇流動干擾小的位置。
2.2、管道內徑：
管道在長期使用后, 內壁會結垢或形成淤泥層, 內壁襯里可能會磨損或變形。超聲測厚儀可以測量管道壁厚但對結垢層無法測量, 管道內徑誤差±1%, 會帶來約±2%的流量誤差, 但企業常常忽視管道內結垢問題, 建議企業采用易于清洗的管道連接, 方便校準前清理測量管道, 保證得到的內徑直準確可靠。
2.3、探頭安裝：
超聲流量計探頭有兩種安裝方式, 一般管徑大于200mm采用V法, 小于200mm時采用Z法。探頭應安裝在管道避開管道頂部、底部以及焊縫的水平位置, 更要確保兩探頭與管徑方向相同、安裝穩定、間距與計算距離一致。由式 (4) 可知, 間距X與流速成反比, 即間距增大1%, 流量減小1%;間距減小1%, 流量增大1%。
2.4、磁場干擾：
雖然大多數流量計的安裝規定都要求周圍無強磁場, 但在實際工作中, 由于歷史原因或對流量計了解較少, 很多企業都將自家的流量計安裝在了泵房附近。這些大功率電氣設備產生的磁場, 容易使換能器不能正常接收信號, 造成顯示不穩定或無顯示。對于這些有強磁場的要加裝接地裝置, 不與電機或其他設備共用地線, 同時做好絕緣屏蔽工作, 減少管道雜散電流干擾。
3、測量結果的不確定度分析：
本次分析以對某自來水站出水管道上流量計校準為例, 標準表選用1.0級的便攜式超聲流量計, 所測管道內徑為500mm。連續測量3組數據, 每組測量3次, 每次20min。僅將每組平均值及處理數據錄入表1。
表1 校準數據
3.1、測量模型：
超聲流量計作為標準表, 則累計示值Qs為:
式中:v—軸向線平均流速;K—流速分布修正系數;D—管道內徑, t—測量累計時間。
用超聲流量計做標準表, 則被測流量計的相對示值誤差E:
式中:Qm—被測流量計的累計示值;Qs—標準表的累積示值。
3.2、靈敏系數：
3.3、不確定度分量評定：
3.3.1、標準表及校準方法引入的不確定度：
3.3.1. 1、標準表引入的不確定度：
本次校準使用1.0級的超聲流量計作為標準表, 均勻分布, 則
3.3.1. 2、管道內徑引入的不確定度：
使用卷尺和超聲測厚儀間接測量管道內徑的準確度一般在±0.2mm, 均勻分布, 則
3.3.1. 3、啟停不同步引入的不確定度：
在線校準無需計量測量時間, 但要求校準開始或結束時, 同時記錄被測流量計和標準表示值。這一過程要2名專業人員配合完成, 顯然無法真正做到同步啟停, 人的反應按Δt'=0.4s估算, 則
那么, 標準表及校準方法引入的不確定度
3.3.2、被測流量計引入的不確定度：
被測流量計引入的不確定度主要是因測量的重復性, 即ur (Qm) =ur (Er) 。由表1可知, 測量重復性引起的不確定度
, 那么可得
3.3.3、平均誤差重復性引入的相對標準不確定度：
3.4、合成標準不確定度評定：
將上面數據帶入合成標準不確定度公式, 可得:
3.5、擴展不確定度的評定：
當k=2時, 超聲流量計在線校準測量結果的擴展不確定度:Urel=k*uc r=1.25%
4、結束語：
在線校準是流量計量技術發展的趨勢, 既不影響企業正常生產, 又滿足了自身計量管理的需要, 雖然與離線檢定存在差異, 但也在一定程度上解決了大口徑流量計的溯源問題, 是目前技術下實用有效的辦法。但我們應看到由于現場條件惡劣, 受人為操作影響較大, 該方法也存在一定的局限性。當然, 隨著技術的進步和對在線校準方法的研究, 在線校準結果的準確度也會進一步提升。