超聲流量計 大口徑流量計在線校準(zhǔn)
摘要：本文介紹了使用超聲流量計在線校準(zhǔn)大口徑流量計時影響測量準(zhǔn)確度的因素, 并對其測量結(jié)果進行了不確定度分析。
隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展, 大口徑流量計越來越多地應(yīng)用于供水、供熱以及污水處理等行業(yè)。由于其多用于貿(mào)易結(jié)算或環(huán)境監(jiān)測, 按照計量法規(guī)定應(yīng)定期送到計量機構(gòu)進行檢定。而現(xiàn)實情況是, 大口徑流量計拆卸難、送檢成本高, 企業(yè)難以承受。因此, 在線校準(zhǔn)流量計在不影響企業(yè)正常生產(chǎn)的情況下既降低成本, 又滿足了計量管理的需要, 深受企業(yè)的歡迎。
大口徑流量計在線校準(zhǔn)有三種常用方法, 分別是液位落差法、電氣參數(shù)法和標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)保證一定的準(zhǔn)確度;電氣參數(shù)法通過對被測表的電阻和轉(zhuǎn)換器等參數(shù)進行校準(zhǔn)從而確定被測表性能, 但無法對流量計整體校準(zhǔn), 而且各個廠家的標(biāo)準(zhǔn)信號模擬器并不通用, 建標(biāo)成本高;標(biāo)準(zhǔn)表比對法多使用超聲流量計為標(biāo)準(zhǔn)表與被校流量計串聯(lián), 通過比對法確定被測流量計的準(zhǔn)確度, 由于其通用性強, 操作簡單, 攜帶方便, 計量機構(gòu)多采用以超聲流量計為標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(guān)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(yè)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(zhǔn)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(shù)關(guān)系之上的, 流場不穩(wěn)定或流速太低都會使計量的準(zhǔn)確性大打折扣。為保證有穩(wěn)定的流體流場, 流量計應(yīng)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(nèi)徑) , 下游直管段大于5D。如現(xiàn)場條件無法滿足, 應(yīng)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(nèi)徑：
管道在長期使用后, 內(nèi)壁會結(jié)垢或形成淤泥層, 內(nèi)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(jié)垢層無法測量, 管道內(nèi)徑誤差±1%, 會帶來約±2%的流量誤差, 但企業(yè)常常忽視管道內(nèi)結(jié)垢問題, 建議企業(yè)采用易于清洗的管道連接, 方便校準(zhǔn)前清理測量管道, 保證得到的內(nèi)徑直準(zhǔn)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(yīng)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(wěn)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(shù)流量計的安裝規(guī)定都要求周圍無強磁場, 但在實際工作中, 由于歷史原因或?qū)α髁坑嬃私廨^少, 很多企業(yè)都將自家的流量計安裝在了泵房附近。這些大功率電氣設(shè)備產(chǎn)生的磁場, 容易使換能器不能正常接收信號, 造成顯示不穩(wěn)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(shè)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(jié)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(zhǔn)為例, 標(biāo)準(zhǔn)表選用1.0級的便攜式超聲流量計, 所測管道內(nèi)徑為500mm。連續(xù)測量3組數(shù)據(jù), 每組測量3次, 每次20min。僅將每組平均值及處理數(shù)據(jù)錄入表1。
表1 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
3.1、測量模型：
超聲流量計作為標(biāo)準(zhǔn)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(shù);D—管道內(nèi)徑, t—測量累計時間。
用超聲流量計做標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)表的累積示值。
3.2、靈敏系數(shù)：
3.3、不確定度分量評定：
3.3.1、標(biāo)準(zhǔn)表及校準(zhǔn)方法引入的不確定度：
3.3.1. 1、標(biāo)準(zhǔn)表引入的不確定度：
本次校準(zhǔn)使用1.0級的超聲流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表, 均勻分布, 則
3.3.1. 2、管道內(nèi)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(nèi)徑的準(zhǔn)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(zhǔn)無需計量測量時間, 但要求校準(zhǔn)開始或結(jié)束時, 同時記錄被測流量計和標(biāo)準(zhǔn)表示值。這一過程要2名專業(yè)人員配合完成, 顯然無法真正做到同步啟停, 人的反應(yīng)按Δt'=0.4s估算, 則
那么, 標(biāo)準(zhǔn)表及校準(zhǔn)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(fù)性, 即ur (Qm) =ur (Er) 。由表1可知, 測量重復(fù)性引起的不確定度
, 那么可得
3.3.3、平均誤差重復(fù)性引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：
3.4、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定：
將上面數(shù)據(jù)帶入合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度公式, 可得:
3.5、擴展不確定度的評定：
當(dāng)k=2時, 超聲流量計在線校準(zhǔn)測量結(jié)果的擴展不確定度:Urel=k*uc r=1.25%
4、結(jié)束語：
在線校準(zhǔn)是流量計量技術(shù)發(fā)展的趨勢, 既不影響企業(yè)正常生產(chǎn), 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(shù)下實用有效的辦法。但我們應(yīng)看到由于現(xiàn)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(dāng)然, 隨著技術(shù)的進步和對在線校準(zhǔn)方法的研究, 在線校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確度也會進一步提升。