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(duì)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(jì)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(jì)也應(yīng)運(yùn)而生。電磁流量計(jì)由于其量程范圍寬、無壓力損失、抗干擾能力強(qiáng)、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(jì)量中，按照《計(jì)量法》的規(guī)定應(yīng)對(duì)其進(jìn)行定期的計(jì)量檢定。但由于在線使用的大口徑電磁流量計(jì)拆卸困難，無法做到在不影響正常供水情況下進(jìn)行離線周期檢定。針對(duì)這

一現(xiàn)象我院建立了一套用外夾式超聲波流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)大口徑液體流量計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)電磁流量計(jì)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(jì)的計(jì)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(duì)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(jì)所在管道上串聯(lián)一個(gè)準(zhǔn)確度較高的外夾式超聲流量計(jì)流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表，對(duì)在線的電磁流量計(jì)和前后連接管道、介質(zhì)流動(dòng)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(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)通過標(biāo)準(zhǔn)表和被校流量計(jì)，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(jì)算被檢流量計(jì)的誤差。

 

        標(biāo)準(zhǔn)表超聲流量計(jì)測量流量是以測量聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播的時(shí)間與流量的關(guān)系為原理。通常認(rèn)為聲波在流體中的實(shí)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(shí)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(shí)間；為超聲波在流體中逆流傳播的時(shí)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(dá)式：

        將測得的多個(gè)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(jì)值，乘以過流面積A，即可得到體積流量；

 

2、電磁流置計(jì)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(jì)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(jì)為例，其原理題超聲波在流體內(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)系得到流體流量的，原理圖見圖１所示。

 

        本次分析被測對(duì)象為1.0級(jí)的電磁流量計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)表為雙聲道超聲流量計(jì)，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(duì)示值誤差；Q為在檢定時(shí)間內(nèi)被檢流量計(jì)測得的累計(jì)流量值；Qs為在檢定時(shí)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)測得的實(shí)際累計(jì)流量值。

 

２．２不確定度來源分析

        １）被校流量計(jì)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(jì)）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(gè)影響量。

        C.標(biāo)準(zhǔn)表其他影響量的分析：超聲流量計(jì)安裝換能器時(shí)，安裝距離可由定距棒固定，因此，換能器安裝位置的偏差對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)；換能器安裝方式一般根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)超聲流量計(jì)對(duì)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(shí)的聲速，為表格中指出的溫度，表示溫度為時(shí)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)表的影響可以忽略。在測量熱水管道時(shí)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(gè)。

 

        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(duì)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(píng)定，其余分量采用了B類評(píng)定。

        1)現(xiàn)場選擇一個(gè)流量點(diǎn)在盡可能的重復(fù)條件下測量6次，得到一個(gè)相對(duì)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(jí)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(jí)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(yàn)，內(nèi)徑測量誤差為±0.5mm時(shí)引起流量的影響量得到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)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(kuò)展不確定度

 

3、結(jié)語

        在線校準(zhǔn)是大口徑電磁流量計(jì)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(diǎn):1)符合了儀表在使用中的計(jì)量管理要求；2)校準(zhǔn)時(shí)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(fèi)用。對(duì)保護(hù)珍貴的水資源、節(jié)約用水、保證水資源不流失以及維護(hù)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(jìn)一步研究，它的科學(xué)性和準(zhǔn)確性還有待提高。