摘要：大口徑在線液體流量測量方法得到越來越多的應(yīng)用，在線流量測量的影響因素較多，科學(xué)分析其測量結(jié)果的不確定度對保證水能源貿(mào)易結(jié)算的準(zhǔn)確公平、水資源的量化管理及平衡調(diào)度有著十分重要的意義。本文著重介紹了大口徑電磁流量計在線校準(zhǔn)的測量不確定度分析方法。

 

引言

 

        隨著大口徑流量測量逐漸成為液體能源交易的重要手段，各種大口徑流量計也應(yīng)運而生。電磁流量計由于其量程范圍寬、無壓力損失、抗干擾能力強、反應(yīng)靈敏、準(zhǔn)確度高等優(yōu)越的性能，被廣泛用在供水、供熱行業(yè)和污水處理終端排放流量計量中，按照《計量法》的規(guī)定應(yīng)對其進行定期的計量檢定。但由于在線使用的大口徑電磁流量計拆卸困難，無法做到在不影響正常供水情況下進行離線周期檢定。針對這

一現(xiàn)象我院建立了一套用外夾式超聲波流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表對大口徑液體流量計的在線校準(zhǔn)裝置，在保證標(biāo)準(zhǔn)表有效溯源的前提下，實現(xiàn)對電磁流量計的在線校準(zhǔn)。該方法是在規(guī)定的條件下，在一定不確定度范圍內(nèi)通過標(biāo)準(zhǔn)表確定被校流量計的計量特性，是一種既科學(xué)有效又適應(yīng)現(xiàn)場需要的在線校準(zhǔn)方法，但由于現(xiàn)場校準(zhǔn)的不確定度因素較多，分析不確定度因素對提高現(xiàn)場校準(zhǔn)的水平及保證水資源不流失、水資源的量化管理、合理配置、平衡調(diào)度有著十分重要的意義。

 

1、在線校準(zhǔn)的原理

        標(biāo)準(zhǔn)表法在線校準(zhǔn)是在大口徑電磁徑流量計所在管道上串聯(lián)一個準(zhǔn)確度較高的外夾式超聲流量計流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表，對在線的電磁流量計和前后連接管道、介質(zhì)流動狀態(tài)等組成的流量測量系統(tǒng)的整體校準(zhǔn)。使流體在相同的時間間隔內(nèi)連續(xù)通過標(biāo)準(zhǔn)表和被校流量計，記錄被檢表標(biāo)準(zhǔn)表的流量值，以標(biāo)準(zhǔn)表示值作為標(biāo)準(zhǔn)值，計算被檢流量計的誤差。

 

        標(biāo)準(zhǔn)表超聲流量計測量流量是以測量聲波在流動介質(zhì)中傳播的時間與流量的關(guān)系為原理。通常認(rèn)為聲波在流體中的實際傳播速度是由介質(zhì)靜止?fàn)顟B(tài)下聲波的傳播速度（Cf）和流體軸向平均流速（Vm）在聲波傳播方向上的分量組成。按圖１所示，順流和逆流傳播時間與各量之間的關(guān)系是：

        式中為超聲波在流體中順流傳播的時間；為超聲波在流體中逆流傳播的時間；Ｌ為聲道長度；為聲波在流體中傳播的速度；為流體的軸向平均流速；為聲道角。

        可利用式（１）和式（２）兩式得出流體流速的表達式：

        將測得的多個聲道的流體流速Vi，i=1，2，.....，K；利用數(shù)學(xué)的函數(shù)關(guān)系聯(lián)合起來，可得到管道平均流速的估計值，乘以過流面積A，即可得到體積流量；

 

2、電磁流置計在線校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析

 

        由于在線校準(zhǔn)采用的方法是標(biāo)準(zhǔn)表法，且標(biāo)準(zhǔn)表串聯(lián)在被檢大口徑電磁流量計的管道上，因此，影響校準(zhǔn)結(jié)果的因素與標(biāo)準(zhǔn)表及其換能器安裝位置、安裝方式和管道參數(shù)等因素有關(guān)。以我院使用的雙聲道超聲流量計為例，其原理題超聲波在流體內(nèi)順逆兩個傳播方向，利用傳播時間差與流體流速之間的關(guān)系得到流體流量的，原理圖見圖１所示。

 

        本次分析被測對象為1.0級的電磁流量計，標(biāo)準(zhǔn)表為雙聲道超聲流量計，測量管徑為６００ｍｍ，管內(nèi)介質(zhì)為凈水，水溫為常溫。

 

2、數(shù)學(xué)模型

        式中，△為絕對示值誤差；Q為在檢定時間內(nèi)被檢流量計測得的累計流量值；Qs為在檢定時間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)流量計測得的實際累計流量值。

 

２．２不確定度來源分析

        １）被校流量計測量重復(fù)性帶來的不確定度分量，其中在線校準(zhǔn)流體狀況復(fù)雜，連接管道、閥門和流體不穩(wěn)定等影響因素都包含在了重復(fù)性中。

        ２）由標(biāo)準(zhǔn)表帶來的不確定度分量：

        ａ．由標(biāo)準(zhǔn)表（超聲流量計）自身測量不準(zhǔn)確帶來的不確定度分量。

        ｂ．管道內(nèi)徑測量引人的不確定度分量：從式（３）可以看出聲道長度和管道內(nèi)徑有直接關(guān)系，因此管道內(nèi)徑測量不準(zhǔn)確是影響流量測量的一個影響量。

        C.標(biāo)準(zhǔn)表其他影響量的分析：超聲流量計安裝換能器時，安裝距離可由定距棒固定，因此，換能器安裝位置的偏差對校準(zhǔn)結(jié)果的影響可以忽略不計；換能器安裝方式一般根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)超聲流量計對不同介質(zhì)的選擇是固定的，在此不考慮該影響量；液體介質(zhì)中的聲速與溫度有關(guān)，關(guān)系式為其中：表示溫度為t時的聲速，為表格中指出的溫度，表示溫度為時的聲速，α為溫度系數(shù)。

        由于本次分析的介質(zhì)為常溫水，溫度對標(biāo)準(zhǔn)表的影響可以忽略。在測量熱水管道時應(yīng)考慮溫度的影響。

        綜上所述，除被測表重復(fù)性和標(biāo)準(zhǔn)表自身帶來的不確定度，其它影響量還有1個。

 

        數(shù)學(xué)模型可以表示為：

 

        式中，為管道內(nèi)徑測量不準(zhǔn)對測量結(jié)果的影響。

 

2.3、方差和靈敏系數(shù)

        根據(jù)誤差傳播定律，由式：（５）得

 

2.4、各不確定度分量

        以下不確定度分量中，測量重復(fù)性引人的不確定度采用A類評定，其余分量采用了B類評定。

        1)現(xiàn)場選擇一個流量點在盡可能的重復(fù)條件下測量6次，得到一個相對誤差測量列，1.16%，1.44%，1.93%，2.35%，1.82%，2.54%用極差法得到

        式中Ｃ為極差系數(shù)。

        

        ２）標(biāo)準(zhǔn)表自身不準(zhǔn)確帶來的不確定度

        

        ３）測量管道內(nèi)徑帶來的不確定度

        管道內(nèi)徑測量是通過測量外徑和管道壁厚而得，由于現(xiàn)場校準(zhǔn)條件一般都不理想，通常管道外徑采用了II級鋼卷尺測量管道周長得到，壁厚通過超聲波測厚儀測量得到。II級鋼卷尺使用中的最大允許誤差為±（0.6+0.4L）mm（L為管道周長）=±1.4mm。所用超聲波測厚儀的最大誤差為±0.02ｍｍ，相比鋼卷尺可以忽略。那么測量管道內(nèi)徑的誤差為：的誤差為：±1.4/π≈±0.5mm。

 

        根據(jù)多次試驗，內(nèi)徑測量誤差為±0.5mm時引起流量的影響量得到一個經(jīng)驗值，約為0.50％，按勻分布考慮，酬量管道峻帶細(xì)不確定度為：

                       

2.5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

2、6擴展不確定度

 

3、結(jié)語

        在線校準(zhǔn)是大口徑電磁流量計校準(zhǔn)的發(fā)展方向，已越來越得到人們的重視。從應(yīng)用情況來看，在線校準(zhǔn)具有以下優(yōu)點:1)符合了儀表在使用中的計量管理要求；2)校準(zhǔn)時不斷水，保證了生產(chǎn)和供應(yīng)的連續(xù)性；3)減少了工作量，省卻了儀表送校拆裝等大量費用。對保護珍貴的水資源、節(jié)約用水、保證水資源不流失以及維護和保障能源交易市場秩序有著極其重要的意義。但是，由于現(xiàn)場條件惡劣，環(huán)境復(fù)雜，影響因素較多，大口徑流量在線校準(zhǔn)的測量不確定度分析方法還需進一步研究，它的科學(xué)性和準(zhǔn)確性還有待提高。