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电磁流量计

封闭管道中大口径电磁流量计在线计量的方法和实施策略

电磁流量计以其安装方便、准确度高等优点在自来水、热水热能贸易结算中被广泛应用,并被要求进行定期的计量检定。 在我国,0.5级以下电磁流量计的检定周期为两年。 事实上,许多大口径电磁流量计(一般为DN400mm以上)由于拆装、运输和生产等问题,无法实现定期离线检定,造成计量失控,引发诸多贸易纠纷。 因此,需要建立一套能够对电磁流量计进行在线检定或校准的方法, 在保证有效溯源性的前提下,实现对电磁流量计的量值溯源,从而实现对现场电磁流量计的在线计量检定。 或蕞低限度提供一种手段,能够对在线电磁流量计进行期间核查,在一定不确定度范围内对在线电磁流量计的计量特性进行确认,达到延长电磁流量计离线检定周期的目的。

                     

  根据上述存在的问题, 有关专家也提出过多种在线检定或校准方案,归纳起来,其主流方案主要有两种:一种是励磁线圈检查法,即在传感器安装励磁线圈的腔体内置一标准线圈,标准线圈的铜电阻与励磁线圈的铜电阻相近,通过外围电路控制实现标准线圈和励磁线圈产生的信号进行比较,以检查励磁线圈当前产生的信号与原来产生信号的一致性,从而确定电磁流量计的计量特性是否发生变化,这种方法又称为电磁流量计的“干标”方法;另一种方法是非接触测量法,即利用外夹式超声波流量计夹持在被测流量计管道上,通过比对两台流量计的流量来确定被检流量计的计量特性。

  应该说上述两种方法理论上都有其合理性,但存在方法设计上的缺陷, 无法保证量值溯源性和可靠性,因此,无法得到法律层面上的认可。 首先,第以种方法, 由于标准线圈是直接设计到流量计表体中的, 我们无法对其电阻等指标的性能进行定期的量值溯源, 无法判断一段时间后标准线圈的计量性能是否发生变化,所以,用其作为计量传递的标准显然有缺陷。

  第二种方法,时差法外夹式超声波流量计的优点在于可以定期对超声波流量计进行检定。 超声波流量计测量流量的原理是根据速度面积法求得流量qv的,其公式为

  式中:V———管道内流体截面上平均流速;A———流体流经管道的截面积。

  从式(1)中可以看到,要得到准确的流量,必须得到准确的管道平均流速和截面积。 其中,时差法超声波流量计测量流速可以得到满意的结果,但是,现场管道由于未经特别加工很难确定管道的截面积。 因此, 无法控制外夹式超声波流量计现场测量准确度,通常外夹式超声波流量计的测量相对示值误差能达到1%~5%,准确度较低,已失去对现场电磁流量计进行比对的意义。

  二、方案的提出和分析

  比较上述两种方案, 从理论上来讲都是可行的。但第二种方法更容易实现量值的溯源和检定中不确定度分量的控制。 只要在量值传递过程中将流量测量可能引入的不确定度分量控制在可允许的范围内,就可以实现对现场电磁流量计准确的流量赋值。

  1.外夹式超声波流量计工作原理和测量不确定度分量分析

  时差法超声波流量计是以超声波在流体内顺逆两个传播方向,利用传播时间差与流体流速之间的关系求得流体流量的,工作原理如图1所示。

  根据声波在顺逆两个方向传播的时间差可得到该传播方向上的流体线平均流速(V):

  式中:c———声速;L———声波传播距离;θ———声道夹角;t1、t2———声波顺逆向传播时间。

  根据比尔盖儿法计算出面流速V:

  式中:K———补偿系数 (K=1.119+0.011lgRe;Re为雷诺数),在一定雷诺数范围内可视为常数,在使用中可以通过水流量标准装置标定给出。

  根据上述公式,可得流量计算公式为

  从式(4)中可以看到,t1、t2和超声波流量计所使用的时基准确度相关,作为用于量值传递的标准表,流量计可选取较高准确度等级的时基, 因此,t1、t2测量引入的不确定度可以忽略不计。 如果采取相应的措施保证d和L的测量不确定度足够小, 直至可以忽略不计,则流量测量的不确定度仅和K的标定准确度相关。

  2.外夹式超声波流量计特征尺寸的确定

  为保证d和L的测量准确度足够高,应在被检电磁流量计的管路上预装标准管段以安装外夹式超声波流量计。 由于标准管段是一个经过加工的直管段,因此,不会增加太大的成本。

  标准管段内径的加工可参照GB/T2624-2006 《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》 中对节流件上游2D范围内管道内径的加工要求。加工后的标准管段应分别在至少3个截面的4个不同方向进行d值测量,加工偏差应小于标准规定。声波传播距离L的确定主要是避免每次测量管道圆度不够、外壁腐蚀以及换能器和管道间装夹间隙不同,对传播距离L的影响。 可在标准管段外壁加工固定的安装位置并设加装螺孔,在加装换能器时用扭力扳手紧固,确保每次装夹间隙的一致性。

  在标准管段和外夹式超声波流量计一起在水流量标准装置上检定后,将标准管段预装在现场管道,并在换能器安装位置加装防护罩。 由于标准管段结构、 加工要求和使用环境与文丘里管有极度的相似性,因此,其使用周期可以采用和文丘里管相等的检定周期,即检定周期为4年。 每年利用标准管段和外夹式超声流量计对在线电磁流量计进行核查, 如核查结果满意则顺延电磁流量计的检定周期, 否则电磁流量计和标准管段均应离线检定。 每一个外夹式超声波流量计可以和任意管径的标准直管段配合并拥有该套配置的k值及相应的准确度,通过定期的期间核查达到延长电磁流量计检定周期的目的。

  三、标准管段和外夹式超声波流量计的管理策略

  需要对外夹式超声波流量计及对应的标准管段进行检定,标定一定流量范围内各流量点的k值并确定对应的不确定度,同时对标准管段的几何尺寸进行检定。进行现场核查,以JJF1033-2008《计量标准考核规范》规定的传递比较法作为判定核查结果满意与否的依据。

  1.检定要求

  (1)标准管段的几何尺寸的检定

  在标准管段入口、 出口和中间3个截面进行内径测量,任何一内径与内径平均值之差应小于内径平均值的±0.4%, 当所有被测内径和内径平均值之差均符合上述要求时,则认为满足要求。

  (2)k值确定和补偿系数的检定

  当标准管段和测量介质确定后,每个流量点下检定时,式(4)中的L、d、θ、t1、t2即可视为常数,根据要测量流量点qv的大小,计算出k值并设入与外夹式超声波流量计配套的流量积算仪。

  设定后的超声波流量计应成套在水流量标准装置上进行标定。 按以下公式计算出补偿系数K*, 取各点平均值输入与外夹式超声波流量计配套的流量积算仪:

  式中:q0———水流量标准装置给出的实际流量。

  根据相应的检定规程对相应的流量点进行检定,并给出相应的准确度。 这里仅对每个流量点的重复性检定给出特殊规定。 每个流量点应做不少于6组试验,每组检定次数不少于6次。 每组试验前均应按要求将外夹式超声波流量计重新安装。 试验结束后按式(6)计算重复性Er:

  式中:m———测量组数;n———每组包含的测量次数;K*ij———第j组中第k次测量结果; K*j———第j组测量结果的平均值。

  计算结果应小于准确度的1/2。

  2.电磁流量计现场核查

  根据检测结果设定对应的参数,利用现场标准管段对现场电磁流量计进行核查试验。 试验时应至少在使用的流量范围内取3个流量点, 每一个流量点的试验结果按式(7)进行比对。

  式中:q1———电磁流量计示值;q——外夹式超声波流量计示值;U———外夹式超声波流量计测量不确定度;U1———电磁流量计标称测量不确定度。

     试验结果如满足式(7)的要求,即认为结果满意,电磁流量计可继续使用。 电磁流量计可在此保证条件下使用4年,到期后应和标准管段一并送检。

  利用外夹式超声波流量计对电磁流量计进行在线核查来验证在线电磁流量计的工作状况,一定程度上可以延长电磁流量计的检定周期,在有限试验次数上证明是可行的, 但该方法也存在一定的局限性,如外夹式超声波流量计发生换能器损坏,将会影响多个标准管段的使用风险,需要进一步研究。

点击次数:  更新时间:2017-04-19  【打印此页】  【关闭

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