隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 大口徑流量計(jì)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(cè), 按照計(jì)量法規(guī)定應(yīng)定期送到計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定。而現(xiàn)實(shí)情況是, 大口徑流量計(jì)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(jì)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(jì)量管理的需要, 深受企業(yè)的歡迎。

  大口徑流量計(jì)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(duì)法。液位落差法是利用水池作為測(cè)量容器, 通過測(cè)量水位計(jì)算出容積, 該方法要占用一定廠房面積, 且修建時(shí)應(yīng)保證一定的準(zhǔn)確度;電氣參數(shù)法通過對(duì)被測(cè)表的電阻和轉(zhuǎn)換器等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)從而確定被測(cè)表性能, 但無法對(duì)流量計(jì)整體校準(zhǔn), 而且各個(gè)廠家的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模擬器并不通用, 建標(biāo)成本高;標(biāo)準(zhǔn)表比對(duì)法多使用超聲流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)表與被校流量計(jì)串聯(lián), 通過比對(duì)法確定被測(cè)流量計(jì)的準(zhǔn)確度, 由于其通用性強(qiáng), 操作簡(jiǎn)單, 攜帶方便, 計(jì)量機(jī)構(gòu)多采用以超聲流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)表的比對(duì)法。

  時(shí)差法超聲測(cè)流是利用超聲波在流體中的傳播特性測(cè)量流量的, 分別測(cè)量其順流、逆流的傳播時(shí)間tdown和tup, 得出時(shí)差值Δt從而計(jì)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(cè)量出流體的過流面積S就可算出測(cè)量面的體積流量qv。

  按圖1所示, 順流、逆流傳播時(shí)間與各量之間的關(guān)系是: 

  由式 (1) 、 (2) 可算出Δt, 同時(shí)由于在工業(yè)測(cè)量中超聲波在液體中傳播速度遠(yuǎn)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(dá)式

  式中:L—聲道長(zhǎng)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。

  超聲流量計(jì)屬于速度式流量計(jì), 其原理是建立在理想流場(chǎng)條件下點(diǎn)或線流速與面流速的函數(shù)關(guān)系之上的, 流場(chǎng)不穩(wěn)定或流速太低都會(huì)使計(jì)量的準(zhǔn)確性大打折扣。為保證有穩(wěn)定的流體流場(chǎng), 流量計(jì)應(yīng)安裝在遠(yuǎn)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(chǎng)條件無法滿足, 應(yīng)盡量遠(yuǎn)離彎頭、閥門等擾流件, 選擇流動(dòng)干擾小的位置。

  管道在長(zhǎng)期使用后, 內(nèi)壁會(huì)結(jié)垢或形成淤泥層, 內(nèi)壁襯里可能會(huì)磨損或變形。超聲測(cè)厚儀可以測(cè)量管道壁厚但對(duì)結(jié)垢層無法測(cè)量, 管道內(nèi)徑誤差±1%, 會(huì)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(cè)量管道, 保證得到的內(nèi)徑直準(zhǔn)確可靠。

  超聲流量計(jì)探頭有兩種安裝方式, 一般管徑大于200mm采用V法, 小于200mm時(shí)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(jì)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%。

  雖然大多數(shù)流量計(jì)的安裝規(guī)定都要求周圍無強(qiáng)磁場(chǎng), 但在實(shí)際工作中, 由于歷史原因或?qū)α髁坑?jì)了解較少, 很多企業(yè)都將自家的流量計(jì)安裝在了泵房附近。這些大功率電氣設(shè)備產(chǎn)生的磁場(chǎng), 容易使換能器不能正常接收信號(hào), 造成顯示不穩(wěn)定或無顯示。對(duì)于這些有強(qiáng)磁場(chǎng)的要加裝接地裝置, 不與電機(jī)或其他設(shè)備共用地線, 同時(shí)做好絕緣屏蔽工作, 減少管道雜散電流干擾。

  本次分析以對(duì)某自來水站出水管道上流量計(jì)校準(zhǔn)為例, 標(biāo)準(zhǔn)表選用1.0級(jí)的便攜式超聲流量計(jì), 所測(cè)管道內(nèi)徑為500mm。連續(xù)測(cè)量3組數(shù)據(jù), 每組測(cè)量3次, 每次20min。僅將每組平均值及處理數(shù)據(jù)錄入表1。

  超聲流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表, 則累計(jì)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(cè)量累計(jì)時(shí)間。

  用超聲流量計(jì)做標(biāo)準(zhǔn)表, 則被測(cè)流量計(jì)的相對(duì)示值誤差E:

  式中:Qm—被測(cè)流量計(jì)的累計(jì)示值;Qs—標(biāo)準(zhǔn)表的累積示值。

  本次校準(zhǔn)使用1.0級(jí)的超聲流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表, 均勻分布, 則

  使用卷尺和超聲測(cè)厚儀間接測(cè)量管道內(nèi)徑的準(zhǔn)確度一般在±0.2mm, 均勻分布, 則

  在線校準(zhǔn)無需計(jì)量測(cè)量時(shí)間, 但要求校準(zhǔn)開始或結(jié)束時(shí), 同時(shí)記錄被測(cè)流量計(jì)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

  被測(cè)流量計(jì)引入的不確定度主要是因測(cè)量的重復(fù)性, 即ur (Qm) =ur (Er) 。由表1可知, 測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度, 那么可得

  將上面數(shù)據(jù)帶入合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度公式, 可得:

  當(dāng)k=2時(shí), 超聲流量計(jì)在線校準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度:Urel=k*uc r=1.25%

  在線校準(zhǔn)是流量計(jì)量技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì), 既不影響企業(yè)正常生產(chǎn), 又滿足了自身計(jì)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(jì)的溯源問題, 是目前技術(shù)下實(shí)用有效的辦法。但我們應(yīng)看到由于現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)步和對(duì)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(huì)進(jìn)一步提升。