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外貼式超聲波流量計的測量與在線校準方法

發布:2021/1/6 15:22:20人氣:747
水量計量是水資源管理和工業生產以及科學實驗中的重要信息源頭,在管理上它是效益考核、節能、環??茖W評價的依據。水利科研的河工模型試驗中也需要流量的精確測量與控制,這是模型模擬天然水流條件是否相似的基礎,其準確性直接關系模型試驗研究的成果質量,而流量計是其關鍵的測量儀表,是國家列入強檢目錄的計量器具。
流量是一個推導量,影響流量測量的因素較多,例如:流體的物理特性、流動特性、現場環境、計測儀表的工藝要求、安裝、維護以及經濟性等等。針對這些因素,流量計的發展趨勢有以下3個特點:
(1)流量計的結構日趨簡潔。從當前發展ZUI快、應用較多的電磁、超聲波流量計來看,機械結構都很簡潔,管道內無阻流部件。
(2)流量計的安裝、使用日益簡便。自動化程度越高,用戶越愿意采用安裝維護和使用簡便的產品,這是插人式、外貼式流量計日益暢銷的原因。
(3)流量計的功能日漸智能化。隨著微電子、計算機和通信技術的飛速發展,各種流量計的功能日益完善、多樣,具有多種自診斷智能功能,工況參數實時修正,數據快速處理,模擬/數字兼容通信等等,不少難以解決的計算與處理問題,依靠計算機技術便可迎刀而解。
應用高性能流量計測量是河工模型流量測控與計量校準技術不斷提升的重要環節。新型的外貼式超聲波流量計,適用于各種材質的管道流量測量,測量誤差小于±1.0%。特別是便攜外貼式超聲波流量計體積小、重量輕,便于攜帶,可移動測量,還適用于各類管道流量計的在線計量比對校準。超聲波流量計具有其測流原理基于長度與時間兩個基本物理量的溯源方便性,可以預見它將超越其他原理的流量計而成為流量標準甚至是流量基準的載體。為此,本文在應用外貼式超聲波流量計測量模型管道流量和管道流量計的實流在線校準技術以及如何進行比對校準方面,開展了相應的研究和探討。
 
1.外貼式超聲波流量計在線校準方法
1.1國內外在線檢測校準現狀
流量計的流量校準有直接測量法和間接測量法兩種,校準方式又分為離線和在線兩種。直接校準法亦稱實流校準法,以實際流體流過被校驗儀表,再用別的標準裝置(標準流量計或流量標準計量器具)測出流體的流量與被校儀表的流量值作比較,也稱作濕法標定。實流校準法獲得的流量值既可靠又準確,是檢測標準流量的主要方法。制造廠在流量計出廠前均以實流校準法在流量校準標準裝置上完成流量量值傳遞過程,其量值可溯源到質量、時間和溫度的國家計量基準量。從計量學意義上,在線實流校準ZUI符合準確性、一致性、溯源性和實驗性等計量特點。在線校準還有一種干法校準(一種間接測量法),即以測量電磁流量傳感器的流通面積、結構尺寸和磁通密度B等參數來計算流量值。但是,干法校準通用性不強,一個標準只能適用于一個廠家的流量計,具有較大的局限性。而且這種方法不直觀,不能直接反映管道中的水流量。
眾所周知,管道流量計普遍存在著大管徑、大流量在線校準困難的問題。流量計的在線校準服務早就按照國際通行的合格評定體系進行產品和體系認證,其中ZUI具代表性的是IS09000國際間的流量量值的統是用國際間的裝置比對來達到的。由于我國尚未制定出相應的液體流量儀表在線校準方法,也沒有比在線流量計計量精度等級高3倍以上的標準流量計。因此,所有供水企業根據各自的實際條件,都在探索切實可行的現場在線校準檢定方法。
1.2外貼式超聲波流量計在線校準的可行性
河工模型和在江河湖泊取水的電磁流量計(包括其他各種類型的管道流量計),需要周期檢定或維修校準,受工況的影響或不宜頻繁拆卸,有諸多方面的問題難以離線送檢。而外貼式(亦稱外夾式、外敷式、捆綁式)超聲波流量計安裝傳感器無需管道斷流,不接觸介質,即貼即用,儀表測量及檢修均不影響管路系統
運行,充分體現了安裝簡單、使用方便的特性。
河工模型試驗規程以及許多水利工程的流量計量測量所要求的誤差為標準流量的±5%即可,高精度的外貼式超聲波流量計自身測量誤差優于±1%,且可以實現一臺流量計在各種管徑、各種材質的管線上測量,一種傳感器可測幾十毫米至幾千毫米的管徑范圍,是可移動測量或作為標準表進行在線校準的SHOU選流量計,且簡便易行,是目前技術條件下作為大口徑流量計在線校準的實用辦法。
以往模型流量計的自校需建立量水堰,不僅使流量供水管路復雜、工程造價提高,而且校驗大流量的矩形量水堰誤差為±3%左右,大大低于外貼式超聲波流量計。因此,應用外貼式超聲波流量計進行在線比對校準不僅可行,而且能夠推進計量檢定工作的開展。
1.3標準流量計的技術要求
在線校準采用的外貼式超聲流量計應在具有國家法定計量檢定機構進行檢定,并取得有效的檢定證書。被校流量計應附有使用說明書,周期校準的流量計還應有前次的校準證書。
校準測量前應了解被校流量計的工作狀態和管道工況,以及現場的溫度、濕度、外界磁場、機裓振動等環境條件,應符合開展現場校準的工作條件要求,以準確設置標準流量計的測量參數
1.4測量過程與校準方法
(1)管徑測量。用量具在傳感器安裝位置附近測量幾次被測管道的外周長并取其平均值,推算出外直徑。
(2)壁厚測量。在傳感器安裝位置及周圍使用測厚儀測量管道壁厚,取其平均值。
(3)標準表安裝。應嚴格按其使用說明書進行操作,首先在安裝管段上確定測量位置并清理管壁,然后在傳感器和管道測量點表面涂以耦合劑,使其發射面與管壁緊密接觸;儀表安裝完畢開啟電源后,輸人管道參數(包括材質、粗糙度、水溫等),得出傳感器精確安裝距離再加以調整并緊固。
(4)計量性能校準。在一定的時間內分別讀取被校流量計和標準表的流量示值,分別按式(1)~(3)計算被校流量計的示值誤差和重復性:
式中,Eij為流量計每個流量點每次校準的相對示值誤差;qij為第流量點第j次校準時的流量計示值(瞬時值或累積值);(qs)ij為第i流量點第j次校準時的標準表示值(瞬時值或累積值);Ei為被校流量計第讠流量點示值誤差;(Er)i為被校流量計第i流量點重復性。被檢流量計的測量偏差為
式中,I Ei Imax。為流量計各校準點測量偏差中的ZUI大值。
根據現場實際情況確定校準流量點,一般選擇1~3個,每個流量點校準3次。每次校準時,同時讀取并記錄流量計和標準表的示值。
(5)校準結果處理。被校流量計的測量偏差I E I和重復性E,應分別滿足式(5)和式(6),否則應
檢修流量計或下線送實驗室標準裝置進行檢驗或校準。

式中,σ²s為標準流量計的ZUI大允許誤差;σ²s為被校流量計的ZUI大允許誤差。
 
2.測量與在線校準應用研究
2.1測量設備與超聲流量計安裝
(1)試驗測量設備及性能。外貼式超聲波流量計采用德國產新型便攜式,配單組磁性傳感器,測
量管徑范圍為50~3400mm;流速范圍為0.01~25m/s;分辨率0.025cm/s;重復性誤差0.15%(視應用而定);體積流量誤差(流場充分發展且徑向對稱)士1%。管壁厚度測量為超聲波測厚儀,測量范圍為0.8-300mm;分辨率0.1mm。
模型流量管路上安裝有 Krohne/DN100~300等5種規格的電磁流量計,測量誤差優于0.5%;有3座用于模型流量率定的薄壁量水堰,測量誤差為1.5%~3%。實驗室流量標準裝置主要由高精度電磁流量計稱重裝置、供水控制裝置和不銹鋼管路等組成,校準誤差優于0.2%。
(2)外貼式超聲流量計的安裝。①傳感器安裝位置的選擇:盡量選擇在水平或垂直的平直管道上,安裝位置前、后直管段的長度應至少滿足前10D后5D(D為管道直徑)的工況要求,并距水泵、閥門、彎管、法蘭接頭、漸擴管、漸縮管等擾流件越遠越好。②傳感器安裝方式的選用:常用的安裝方式為“Z”法(直射式)和“V”法(反射式),如圖1所示。具體采用哪種安裝方式取決于管道和介質特性。當現場有足夠長的平直管段,水流方向與管軸平行且為軸對稱分布的場合,采用“Z”法和“V”法都可以。當管徑較大或接收到的信號較弱時,宜采用“Z”法安裝。而對較小的管徑來說,“V”法的聲波傳輸距離比Z法增加一倍,可提高△t的測量精度,減少測量誤差的效果較好。
 
2.2測量方案與在線校準試驗
測量試驗主要針對外貼式超聲波流量計的適用性和準確度。試驗首先選擇在長江科學院河工模型的5套供水流量控制管路上進行,以便于進行試驗條件控制和多種測試手段比對。試驗選用了管徑為Ф100~Ф400等6種型號的管道,并對被測管道系統中控制閥門的開度進行調節控制,以了解不同管徑和不同流量。
大小對測試精度的影響。此外,還對“V”、“Z”兩種測試方法進行了可靠性分析。
在線校準測量試驗采用了電磁流量計、量水堰以及(中國水利水電科學研究院水力實驗室)流量標準裝置與外貼式超聲波流量計進行比測。測量時連續輸水,待量水堰測針及流量計儀表示值穩定后,開始同步計測3種量水設施的讀數,以驗證外貼式超聲波流量計的準確度,并觀測和逐步熟悉、了解、掌握外貼式超聲波流量計的測量特性。
2.3測試成果與誤差分析
經過一系列的實驗和統計分析,得到了外貼式超聲波流量計在河工模型供水管道與流量標準裝置上的比測成果見表1、表2。測量數據處理依據公式(1)(6)進行。
比測說明,量水堰比所采用的流量計測量誤差大,
但不受電氣參數變化影響,穩定性好,可以用來比照驗證另外兩種流量計工作是否正常。從比測情況看,兩種流量計工作正常,且之間的測值更接近,即相對誤差也更小,從而驗證了超聲波流量計的準確性。試驗采用的電磁流量計測量精度略高于超聲波流量計,且安裝規范,所以分析計算中采用電磁流量計的成果作為標準進行比對校驗。
通過試驗情況以及表1和表2測量成果可以看出:
(1)從趨勢上看,在相似的流量條件下,管徑越大,兩種流量計的相對誤差越小。另一種趨勢是,在同管徑條件下,流量越大,兩種流量計的相對誤差越測量誤差大體上隨著流量的增大而減小,并基本上與管徑的大小成反比。
(2)在模型Ф200管道上,用“V”法測量小流量時,誤差超過4%,改用“Z”法測量后,誤差明顯減小到2.6%;在Ф400管道上測量小流量,“Z”法比“V”法誤差要小得多。說明在平直管段較短、擾流件較多的管道和較大管徑上采用Z法測量小流量的效果較好。
(3)實驗室流量標準裝置的比對校準精度整體高
于模型管道,通過大小管徑及變流量比對,“V”法比“Z”法精度高。說明在較好水流測量條件下,應用“V"法測量增加了聲波測程,提高了△t的測量精度,減少測量誤差的效果比較明顯。
(4)測量數據表明,外貼式便攜超聲波流量計在理想測量條件下,誤差可控制在0.5%~1%,在現場只要符合最基本的測量條件要求,測流誤差在1%~3%,多次的重復試驗還表明,采用的外貼式超聲波流量計的測量成果重復性好,是一種合適的流量檢測設備。
上述的測量特性與比測精度對于開展江河湖泊取水流量計的在線校準工作有利,因其多為大管徑、大流量運行,可采用只在特定的流量點定點測量來有效地提高比對準確度;對于河工模型的流量計,有條件進行變流量測量,可反復多次比測確定其測量誤差;對不同的管道條件,外貼式超聲波流量計要采用合適的安裝方法。
試驗觀測到,3種測流設備的儀表讀數是不斷變化的,且流量計的示值變化比量水堰快,真實反映出現場管道中的水流是紊動的,而不是標準校準裝置的穩定水流,這是現場在線校準低于實驗室校準精度的主要原因。這就需要特別注意,現場的管道條件不可忽視,如供水管道的測量直管段不夠長,管道中有氣泡噪聲等等?,F場測量條件的局限和不足,會使其測量精度降低。
試驗硏究表明,影響外貼式超聲波流量計測量精度的3個因素即管道參數、暴露懸空直管段長度及水流流態ZUI為重要,也是現場在線檢測不易完全滿足的情況。對于后兩個因素,可采取多通道傳感器充分掃描管內流速分布,或合理的設計與布置安裝管道,以提高準確度。因此,如何根據現場特定的環境安裝調試是用好外貼式超聲波流量計的一個重要課題。本次研究在范圍和深度上還有不少局限,下階段將針對更多不同測量條件的情況開展測量應用。
 
3.結論與建議
通過應用外貼式超聲波流量計比對測量管道流量,以及對在線流量計校準和檢定技術的應用研究,得到了以下幾點結論與建議:
(1)驗證了外貼式超聲流量計在實際應用中的準確度和適用性,可以對同精度及其以下的在線流量計進行比對驗證或校準,是目前技術條件下管道流量計在線校準有效和實用的辦法。
(2)應用外貼式超聲流量計測量管道流量,可以大量減少備用流量計,還可通過與其它流量計進行周期性的或定期抽樣比對測試,了解在線流量計的運行狀況,使測量誤差得到及時修正。
(3)由于現場條件的多樣性和復雜性,為了保證和提高測量精度,在管線安裝時盡量預留足夠的直管段和空間,或通過對原有管線進行技術改造,在較理想的測量位置安裝不銹鋼直管段,來改善校準流量計的現場測量條件。
4)在線校準是計量技術發展的趨勢,能有效降低計量方面資金消耗,既避免了被檢流量計因檢定前后裝卸運輸、安裝等人為因素對測量結果的影響,又解決了因多種原因難以離線周期檢定的難題。采用外貼式超聲波流量計進行在線流量計校準的方法不僅可行,而且易于推廣應用,具有良好的經濟效益與社會效益。
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