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摘要:針對水量計量流量計無法離線送檢的情況，流量計一在其他行業的在線校準方法、國內外研究現狀及應用前景，分析了現場校準方法與裝置的基本原理和特點。利用便攜式超聲流量計準確度高、安裝方便的特點，提出了基于現場比對方法用于水利行業開展校準技術研究，并重點闡述便攜式超聲流量計用于液體流量計實流在線校準的技術要求、測量過程和計算方法r可為今后有效開展計量校準工作提供切實可靠的基礎。
1流量計的計量與校準
　　水量計量是進行水資源宏觀調控和微觀管理的重要基礎性技術措施，但以往水利行業計量工作基礎薄弱，涉及水量計量的有關技術標準、標準化裝置、量值傳遞和溯源問題十分突出。我國擁有大量的流量計測儀器，而普遍缺少校準設備，尤其是管道流量計的在線校準與檢定規程在水利行業還是一個空白，計量的正確率問題PR待解決。根據國家強制性標準《用能單位能源計量器具配備和管理通則》(GB17167-2006)的要求及相關的計量法規，作為結算的流量計，都需要進行周期檢定。但是，法規中的檢定周期并不能保證在用流量計的正確率。由于使用場合和介質的復雜性，很多流量計還沒有到檢定周期就已經超差，因此需要通過采用現場校準的核查方式來保證流量計量的正確率。
　　校準(calibration)有時也稱標定或校驗。以前流量儀表業內對流量值傳遞性質的校準習慣用“標定”，水工業內習稱“率定”，用戶對判別準確度性質的校準過程稱為“校驗”，現在這些名稱漸趨一致，改用“校準”。流量計的流量校準有直接測量法和間接測量法兩種方法，校準方式分為離線和現場在線檢測兩種方式。
　　直接測量法亦稱實流校準法，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，也稱為濕法標定(wetcalibration)。實流校準法獲得的流量值既可靠又準確，為目前許多流量儀表(如電磁流量計、容積式流量計、渦輪流量計等)所采用，而且作為檢測標準流量的方法。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(有時簡稱流量標準裝置或流量校準裝置)上完成流量量值傳遞過程。流量校準標準裝置是按照有關標準和檢定規定建立的，并由國家授權的專門機構認定，能作流量量值傳遞的裝置，是提供流量量值的校準設備，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，在線實流校準最符合正確率、一致性、溯源性和實驗性等計量特點。
　　干法校準是一種間接校準法，是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。干法校準是在20世紀70年代以解決大口徑電磁流量計無法實現實流校準的校準方法，在日本曾作為工業標準《應用電磁流量計測量流量的方法》這類專用儀器的應用現在已從水行業擴展到石油北工等流程工業。
　　目前國內對干法校準進行了一定的研究，如浙江大學重點分析了渦電場測量法與面權重函數法兩種新型干標定方法的測量原理、特點及實現方法;上海地區探索和制定了“在線檢驗法”，積累了多臺大口徑電磁流量計檢查經驗，正在制訂《電磁流量儀在線校驗規范》地方行業性標準’廣州市自來水公司還起草了中華人民共和國城鎮建設行業標準《管道式電磁流量計在線校準規程》(征求意見稿)41，等等。但是干法校準多用來檢修或判別電磁流量討一傳感器有關技術參數的變化對測量精度的影響。因為這種方法不直觀，不能直接反映管道的中水流量。
2現場校準方法與裝置
　　在江河湖泊的管道取水計量設備主要采用電磁流量計或超聲波流量計，而檢測流量的傳感器(包括渦輪、差壓、容積和質量等其他類型的流量計)安裝在管道內，不便于拆卸或受工況的影響根本無法拆卸，如大型輸水管不允許停水，大口徑流量計設備安裝復雜，體積大、重量大難以運輸送檢等。流量計廣泛應用于水量計量和公用事業，按規定必須在受控狀態下運行和定期校準。如何對越來越多的大管徑、大流量的液體流量計進行現場在線實流校準，成為一個意義重大的問題。因此，水利行業開展現場在線校準技術研究是很有必要的，也是非常具有挑戰性的任務。
　　流量計的現場校準和驗證實際上是在現場針對流量測量系統(包括流量計、前后連接管道、介質流動狀態等)的檢測運作，目前我國尚沒有明確的在線檢定的計量法規，現場在線校準方法與技術研究有望為流量計在線檢定開拓出一個可供借鑒與參考的有效途徑。
2.1現場校準方法與常用標準裝置
　　目前采用現場在線校準的方法有流量標準裝置法和示蹤法，流量標準裝置法又分為固定安裝的基地式和移動式，其體系如圖1所示。
2.1.1基地式流量標準裝置
(1)標準體積管。一般采用一套體積管流量標準裝置和相應的切換閘閥，就可實施流量計的定時輪換在線校準。如圖2所示，關閥1，開閥2，流體經待校流量計后進人標準體積管實現在線校準。國內原油貿易計量基本實行了這種方法。
(2)標準流量計。固定安裝標準流量計系統組成與圖2相似，只是用標準流量計替代圖中的標準體積管。很明顯，基地式流量標準裝置需要在管道上預留較多的連接管線和切換控制閘閥等輔助設備，有些類型流量計購置費較低，但其輔助設備費用會大大超過流量計本身購置費，這種現場校準裝置實際上在大部分取排水管道上是不具備的。

2.1.2移動式流量標準裝置
　　移動式與基地式的基本相同，只不過標準裝置是由專用的汽車或拖車裝載，移動式車載流量標準裝置靈活性高，到現場檢定方便，但裝置設備費用較高。
2.2示蹤法
　　在現場應用示蹤法校準流量計國際上已相當成熟，早在20世紀70年代就頒發了國際標準ISO2975一(1一7)《封閉管道中水流量測量—示蹤法》，標準規定了用放射性示蹤劑或非放射性示蹤劑的實施方法和要求。示蹤法測量的基本工作原理有兩類:一是恒速注人法(也有稱稀釋法)，是在管道的液體中恒速注人示蹤劑，然后測量示蹤劑沿管道長度方向的稀釋比例，按擴散稀釋理論計算流量;二是示蹤劑瞬時注人，然后測量示蹤物流經一段距離所需的時間計算流量，稱為傳輸時間法。傳輸時間示蹤法也使用于明渠流、非滿管流或疑有沉淀物的滿管流的流量校準。
　　近些年國內也在探索示蹤法，試圖在線校準大口徑水流量計。
但是，化學試劑和同位素示蹤劑污染環境，破壞水質，在水行業一般很少采用。
2.3現場比對法
　　現場“流量比對”是指流量計在現場與其他“參照流量”進行比較，例如臨時夾裝的超聲波流量計的測量值、流人管系中已丈量過容量的液體體積等都可作為“參照流量”。關于現場校準、比對和驗證等名詞的含義，可參看相關文獻的標準定義，不再贅述。實踐中許多專業人員探索出多種現場比對的方法和間接檢查方法，主要有以下3種類型:
(1)利用流程中存儲容器、工作容器、水池或衡器的容器衡器法比對。水池容積比對法是供水企業經常采用的方法，制水廠利用大容積清水池的有利條件，可獲得較高的比對精度。
(2)在待測流量計的管線預留位置，以備接人參比流量計的流量計比對法。
(3)外敷式超聲換能器的超聲流量計比對法。外敷式亦稱外貼式、外夾式、捆綁式，超聲波流量計是流量測量最有發展前途的三種途徑之一:特別是國外已有產品測量精度誤差<土0.5%，這有利于高精度的對比檢測與現場在線校準系統的建立，方便計量檢定部門到現場校準檢測。
3運用便攜式超聲波流量計實現在線校準
　　利用便攜外敷式換能器超聲流量計比對使用中的流量計，在供水業應用十分普遍。便攜式超聲波流量計既是一種外敷式又是一種便攜式的流量計量器具，比較適用于大口徑流量計的現場在線檢測和校準，可供水利行業的相關檢測參考借鑒。這里對有關的原理、方法和設備等進行歸納和闡述。
3.1外敷式換能器超聲流量計比對法原理
　　其原理是:將準確度較高的便攜式超聲波流量計作為標準器具，安裝在被測管道上進行檢測，然后將測量值和被檢流量計的采集數據進行比對，根據比對結果計算被檢流量計的誤差，誤差二(測量值一標準值)/標準值，再利用計算的相對誤差調整被檢流量計的系數，使被檢流量計與便攜式超聲波流量計顯示流量數據一致，以達到校準被檢流量計的效果。
3.2標準流量計的技術要求
　　在線校準采用的便攜式超聲流量計應具有國家法定計量檢定機構出具的檢定證書，便攜式超聲流量計的安裝、使用應嚴格按其操作使用說明書進行，應符合《超聲流量計檢定規程》(JJG1030-2007)附錄D的要求}lo;。
在線校準用的其他輔助設備，如卷尺、測厚儀、秒表等計量器具均應具有有效的檢定證書，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�，F場校準時溫度、濕度、外界磁場、機械振動等環境條件，應符合開展現場校準的環境條件要求，同時明確測量介質及工作狀態、介質溫度等工況參數，了解被校流量儀表工作狀態和參數設置，確認可以開展現場校準。
3.3測量過程及計算方法
(1)管徑測量。用量具分別在換能器安裝位置附近的同一截面上大致等角分布測量n次外直徑，或測量幾次外周長推算出外直徑，其平均值D按式(1)計算:

式中:n為測量次數，n≥4;D為第i點測得的管道外直徑或推算出的外直徑。
(2)壁厚測量。在換能器安裝位置均布5個點，使用測厚儀測量管道壁厚，并取其平均值。對無法測量的參數，如管道材質、襯里材料、厚度等，根據現場技術資料查明并確認。
(3)標準表安裝。將上述管道參數輸人標準表內，得出換能器安裝距離。在安裝標準表管段上畫線定位，確定換能器的位置。清理已定安裝位置附近的管壁，將管壁上的油漆、鐵銹、污垢等清除干凈，露出管道材質，打磨光滑。在換能器表面均勻涂以禍合劑，換能器上標志對準安裝位置，使其發射面與管壁緊密接觸，并固定在管道上。將換能器信號傳輸電纜連接到轉換器上，按要求將信號調試到最佳狀態。
(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(2)~式(4)計算被校流量計的示值誤差和重復性:

　　式中:E。為流量計每個流量點每次校準的相對示值誤差;qij為第i流量點第j次校準時的流量計示值(瞬時值或累積值);(qs)。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i流量點示值誤差;(Er):為被校流量計第i流量點重復性。
　　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，比對標定法必須保證比對過程中時間的同步。若讀取的數值為瞬時值，則至少讀取20個數值，取其平均值;若讀取的數值為累積值，則應保證大于最小讀數的1000倍或讀取至少20min。的累積值。
　　便攜式超聲波流量計在實際應用中具有不可替代的優勢:可實現不斷流測量，設備體積小，便于攜帶，安裝方便;外敷式探頭，不干擾流場，無壓力損失;儀表無可動及易損部件，穩定性好;適用范圍廣，可用于各種類型流量計的在線比對;適應性強，可用于不同管徑、不同介質(高溫、高壓、易爆、高勃度、強腐蝕、放射性高)的比對，標準表價格基本與所測管徑無關，性價比高。
　　但是，便攜式超聲波流量計受其自身測量方式的限制，測量精度受到很多外界因素的影響，人為因素對測量的影響較大，對專業檢測人員的技術性和經驗性要求很強、操作要求很高，還需要在實踐中進一步積累經驗，形成技術規范。
4結論
　　現場校準方法是計量技術發展的趨勢，特別是運用便攜式超聲波流量計開展在線流量計的校準是可行的方法，能極大地方便現場計量校準工作，有效降低計量方面的資金消耗，易于推廣應用。資料表明，通過開展流量計量儀表現場校準技術的研究與應用，可以提高計量檢測水平，達到周期性計量檢定的目的，使在線流量計測量數據準確可靠，只要準確操作，盡量減少隨機誤差和附加誤差，是可以達到國家有關部門對于工業及民用水計量準確度要求的。

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