超聲波流量計于計量設(shè)施在線校準(zhǔn)的應(yīng)用

顧 閩，孫麗娜，陳建楠，邵夢舟

（南京市水資源管理中心，江蘇 南京 210008）

我國水資源緊缺，水資源時空分布不均勻，生產(chǎn)力布局和水資源不相匹配，供需矛盾尖銳，節(jié)約用水迫在眉睫［1］。為全面、準(zhǔn)確掌握取用水情況，提高水資源管理精細化水平，水利部印發(fā)了《關(guān)于強化取水口取水監(jiān)測計量的意見》，對強化取水口取水計量工作進行了部署。提升監(jiān)測計量數(shù)據(jù)質(zhì)量，加強監(jiān)測計量成果應(yīng)用成為工作重點，系統(tǒng)、完整的取水監(jiān)測計量體系，為實施水資源剛性約束制度，促進生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐。本文采用了超聲波流量計對計量設(shè)施進行在線校準(zhǔn)工作［2］，旨在提升監(jiān)測計量數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1 校準(zhǔn)原則

按照《管道式電磁流量計在線校準(zhǔn)要求》（CJ/T 364—2011），對于計量設(shè)施的現(xiàn)場校準(zhǔn)方法一般有2種，即標(biāo)準(zhǔn)表法和電參數(shù)法［3］。電參數(shù)法往往難以確定電參數(shù)測量與流量測量值之間的函數(shù)關(guān)系，加上由于設(shè)備安裝年限較久，被檢計量設(shè)施出廠時的相關(guān)電參數(shù)經(jīng)常無法查證，從而增加了電參數(shù)法的測量不確定性，所以目前采用便攜式超聲波流量計作為標(biāo)準(zhǔn)器對管道計量設(shè)施進行在線校準(zhǔn)的方法是可行且有意義的，能夠很大程度上解決流量計量設(shè)施不便拆卸送檢的難題。

1.1 流量計性能要求

采用德國弗萊克森便攜式超聲波流量計（FLUXUS F601）作為本項目的檢測設(shè)備（標(biāo)準(zhǔn)表），標(biāo)準(zhǔn)表具有有效的檢定證書，性能指標(biāo)滿足以下要求：

（1）標(biāo)準(zhǔn)表的基本誤差滿足±0.5%要求。

（2）標(biāo)準(zhǔn)表的重復(fù)性滿足0.10%要求。

1.2 校準(zhǔn)環(huán)境要求

（1）大氣環(huán)境條件應(yīng)滿足以下規(guī)定：環(huán)境溫度為-10 ℃~45 ℃，相對濕度不大于95%，大氣壓力為56~106 kPa。

（2）工作介質(zhì)應(yīng)是充滿封閉管道的單相流體。

（3）外界磁場應(yīng)小到對標(biāo)準(zhǔn)表的影響忽略不計。

（4）振動和噪聲應(yīng)小到對標(biāo)準(zhǔn)表的影響忽略不計。

（5）場地滿足安全操作要求。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)表使用原則

標(biāo)準(zhǔn)表應(yīng)串聯(lián)安裝在被檢測的流量計上游側(cè)或下游側(cè)。標(biāo)準(zhǔn)管段一般情況下是在被檢測流量計所安裝的管道上，選定的流場條件和管道外形尺寸都能滿足標(biāo)準(zhǔn)表要求的一段直管［4］。

（1）應(yīng)以前后直管段長度盡量長的原則選定。

（2）應(yīng)選擇水平管道或上升管道作為標(biāo)準(zhǔn)管段的安裝位置。

（3）位置最好是沒有襯里的管段。

（4）最好是沒有電磁干擾和振動干擾的位置。

（5）安裝位置及聲束反射位置應(yīng)避開管道的焊縫。

2 校準(zhǔn)過程

2.1 測量管道外徑

利用現(xiàn)場管線作為標(biāo)準(zhǔn)表安裝位置的標(biāo)準(zhǔn)管段要現(xiàn)場實測管道外徑，用卷尺分別在標(biāo)準(zhǔn)表2 只換能器安裝距離內(nèi)等間隔測量3 至6 個管道外周長，分別用測量結(jié)果計算出管道外徑。其平均值D計算式為

式中：n為測量次數(shù)，n≥3；Di為第i點測得的管周長計算出的管道外徑，mm。

2.2 安裝測量設(shè)備

首先觀察被檢流量計，確認能夠正常工作，清理已定安裝位置附近的管壁（比標(biāo)準(zhǔn)表換能器約大一倍的面積），將管壁上的油漆、鐵銹、污垢等清除干凈，露出管道材質(zhì)，打磨光滑。然后在標(biāo)準(zhǔn)表換能器表面均勻涂以耦合劑，將標(biāo)準(zhǔn)表換能器上標(biāo)志對準(zhǔn)安裝位置，使其發(fā)射面與管壁緊密接觸，并用緊固件將標(biāo)準(zhǔn)表換能器固定在管道上。最后將標(biāo)準(zhǔn)表換能器信號傳輸電纜連接到轉(zhuǎn)換器上，按標(biāo)準(zhǔn)表的使用手冊將信號調(diào)試到最佳狀態(tài)。

其中，2 個換能器安裝的相對位置有以下2 種方式：

（1）換能器安裝的相對位置：V方式安裝傳感器是最常用的方法，被稱為反射法［5］。如圖1所示。

圖1 換能器安裝的相對位置V方式

（2）Z 方式：Z 方式安裝傳感器一般是在較大管徑的管道上使用，被稱為直接法。如圖2所示。

圖2 換能器安裝的相對位置Z方式

2.3 讀取檢測數(shù)值

根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定檢測流量點，每個流量點檢測3次。現(xiàn)場無法調(diào)節(jié)流量時可采用在不同的時段進行檢測。流量點一般選擇1~3個。每次檢測時，同時讀取并記錄電磁流量計和標(biāo)準(zhǔn)表的示值。若讀取的數(shù)值為瞬時值，則讀取20 個數(shù)值，每次讀數(shù)間隔60 s，之后在計算平均值時允許按規(guī)則剔除讀數(shù)粗大誤差，以計算出的平均值作為該次測量的標(biāo)準(zhǔn)表和流量計示值［6］。若讀取的數(shù)值為累積值，則保證大于最小讀數(shù)的1 000倍或讀取20 min的累積值。檢測時讀取的標(biāo)準(zhǔn)表和流量計示值保留到小數(shù)點后2位［7］。

流量點每次測量的相對示值誤差Eij計算式為

式中：qij為第i流量點第j次檢測時的流量計示值（瞬時值或累積值）；（qs）ij為第i流量點第j次檢測時的標(biāo)準(zhǔn)表示值（瞬時值或累積值）。

流量計每個流量點的重復(fù)性（Er）i計算式為

式中：n為第i流量點的檢測次數(shù)；取流量計所有流量點的重復(fù)性最大值作為該臺流量計的重復(fù)性Er。

3 檢測結(jié)果

本文共檢測15個計量設(shè)施，其中超聲波流量計1個，電磁流量計14個，具體檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總?cè)绫?所示。

表1 各計量設(shè)施檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

實測的15個計量設(shè)施檢測結(jié)果總體較好，最小示值誤差為0.43%，最大示值誤差不超過±5%的共14 個，占比93.33%，僅14 號誤差較大，最大示值誤差為33.31%，現(xiàn)場校準(zhǔn)工程由于工況調(diào)節(jié)受限，只能校準(zhǔn)當(dāng)前流量點，該流量點的測量重復(fù)性尚可。

4 結(jié)論與建議

本文應(yīng)用超聲波流量計進行在線校準(zhǔn)的計量設(shè)施運行情況基本正常，僅1 個站點出現(xiàn)最大示值誤差較大的情況，但重復(fù)性較好，可通過參數(shù)設(shè)置盡可能將誤差校準(zhǔn)或進行設(shè)備的更換，以提升監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。驗證了用超聲波流量計對計量設(shè)施校準(zhǔn)的合理性，并對實際操作過程中遇到的問題提出以下建議。

（1）為了能夠保證超聲波測量管道內(nèi)的流體是平行流動的，所以一定要有一段直管段，可在超聲波流量計的前后方留有至少長于10 倍管徑的直管段來保障。

（2）在條件允許的情況下，可使用多個高精度流量計進行對比測試，以排除單個流量計造成的系統(tǒng)誤差，也可在同一管道上通過更換換能器安裝位置等方法進行反復(fù)測量驗證，以提高測量的準(zhǔn)確度。

（3）受超聲波換能器、傳感器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，在高溫介質(zhì)流量測量時可能產(chǎn)生較大誤差，該情形應(yīng)避免使用超聲波流量計。

（4）目前，現(xiàn)場安裝使用的計量設(shè)施大都標(biāo)稱的準(zhǔn)確度等級為1.0 級，甚至有0.5 級的，但是流量計的出廠檢定準(zhǔn)確度和現(xiàn)場使用的準(zhǔn)確度是不同的。例如出廠檢定為0.5 級的電磁流量計，安裝在現(xiàn)場環(huán)境下，受到安裝位置、介質(zhì)狀態(tài)、環(huán)境溫濕度、電磁干擾等多因素的影響，難免會產(chǎn)生一些附加誤差，這些誤差在出廠或?qū)嶒炇覚z定時是無法檢測出來的，只有通過在線校準(zhǔn)才能顯現(xiàn)和修正，這也是在線校準(zhǔn)計量設(shè)施的意義所在［8］。

（5）用于取水口取水監(jiān)測的計量設(shè)施，由于管道內(nèi)一般為取原水，如果取水水質(zhì)情況不佳，會導(dǎo)致積垢附著于管道內(nèi)壁，從而影響管道的過水面積。流量計一般采用流速面積法進行流量計算，因此需要定期注意對計量設(shè)施和管道的日常維護，并定期開展在線校準(zhǔn)工作，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的長期準(zhǔn)確性。