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(yè)的在線校準(zhǔn)方法、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景，分析了現(xiàn)場校準(zhǔn)方法與裝置的基本原理和特點(diǎn)。利用便攜式超聲流量計準(zhǔn)確度高、安裝方便的特點(diǎn)，提出了基于現(xiàn)場比對方法用于水利行業(yè)開展校準(zhǔn)技術(shù)研究，并重點(diǎn)闡述便攜式超聲流量計用于液體流量計實流在線校準(zhǔn)的技術(shù)要求、測量過程和計算方法r可為今后有效開展計量校準(zhǔn)工作提供切實可靠的基礎(chǔ)。
1流量計的計量與校準(zhǔn)
　　水量計量是進(jìn)行水資源宏觀調(diào)控和微觀管理的重要基礎(chǔ)性技術(shù)措施，但以往水利行業(yè)計量工作基礎(chǔ)薄弱，涉及水量計量的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)設(shè)備，尤其是管道流量計的在線校準(zhǔn)與檢定規(guī)程在水利行業(yè)還是一個空白，計量的正確率問題PR待解決。根據(jù)國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)《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(guān)的計量法規(guī)，作為結(jié)算的流量計，都需要進(jìn)行周期檢定。但是，法規(guī)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(zhì)的復(fù)雜性，很多流量計還沒有到檢定周期就已經(jīng)超差，因此需要通過采用現(xiàn)場校準(zhǔn)的核查方式來保證流量計量的正確率。
　　校準(zhǔn)(calibration)有時也稱標(biāo)定或校驗。以前流量儀表業(yè)內(nèi)對流量值傳遞性質(zhì)的校準(zhǔn)習(xí)慣用“標(biāo)定”，水工業(yè)內(nèi)習(xí)稱“率定”，用戶對判別準(zhǔn)確度性質(zhì)的校準(zhǔn)過程稱為“校驗”，現(xiàn)在這些名稱漸趨一致，改用“校準(zhǔn)”。流量計的流量校準(zhǔn)有直接測量法和間接測量法兩種方法，校準(zhǔn)方式分為離線和現(xiàn)場在線檢測兩種方式。
　　直接測量法亦稱實流校準(zhǔn)法，以實際流體流過被校驗儀表，再用別的標(biāo)準(zhǔn)裝置(標(biāo)準(zhǔn)流量計或流量標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)定(wetcalibration)。實流校準(zhǔn)法獲得的流量值既可靠又準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)流量的方法。制造廠在流量計出廠前均以實流校準(zhǔn)法在流量校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)裝置(有時簡稱流量標(biāo)準(zhǔn)裝置或流量校準(zhǔn)裝置)上完成流量量值傳遞過程。流量校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)裝置是按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和檢定規(guī)定建立的，并由國家授權(quán)的專門機(jī)構(gòu)認(rèn)定，能作流量量值傳遞的裝置，是提供流量量值的校準(zhǔn)設(shè)備，其量值可溯源到質(zhì)量、時間和溫度的國家計量基準(zhǔn)量。從計量學(xué)意義上，在線實流校準(zhǔn)最符合正確率、一致性、溯源性和實驗性等計量特點(diǎn)。
　　干法校準(zhǔn)是一種間接校準(zhǔn)法，是以測量電磁流量傳感器的流通面積、結(jié)構(gòu)尺寸和磁通密度B等參數(shù)來計算流量值。干法校準(zhǔn)是在20世紀(jì)70年代以解決大口徑電磁流量計無法實現(xiàn)實流校準(zhǔn)的校準(zhǔn)方法，在日本曾作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《應(yīng)用電磁流量計測量流量的方法》這類專用儀器的應(yīng)用現(xiàn)在已從水行業(yè)擴(kuò)展到石油北工等流程工業(yè)。
　　目前國內(nèi)對干法校準(zhǔn)進(jìn)行了一定的研究，如浙江大學(xué)重點(diǎn)分析了渦電場測量法與面權(quán)重函數(shù)法兩種新型干標(biāo)定方法的測量原理、特點(diǎn)及實現(xiàn)方法;上海地區(qū)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(jīng)驗，正在制訂《電磁流量儀在線校驗規(guī)范》地方行業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)’廣州市自來水公司還起草了中華人民共和國城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《管道式電磁流量計在線校準(zhǔn)規(guī)程》(征求意見稿)41，等等。但是干法校準(zhǔn)多用來檢修或判別電磁流量討一傳感器有關(guān)技術(shù)參數(shù)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(xiàn)場校準(zhǔn)方法與裝置
　　在江河湖泊的管道取水計量設(shè)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(zhì)量等其他類型的流量計)安裝在管道內(nèi)，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(shè)備安裝復(fù)雜，體積大、重量大難以運(yùn)輸送檢等。流量計廣泛應(yīng)用于水量計量和公用事業(yè)，按規(guī)定必須在受控狀態(tài)下運(yùn)行和定期校準(zhǔn)。如何對越來越多的大管徑、大流量的液體流量計進(jìn)行現(xiàn)場在線實流校準(zhǔn)，成為一個意義重大的問題。因此，水利行業(yè)開展現(xiàn)場在線校準(zhǔn)技術(shù)研究是很有必要的，也是非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
　　流量計的現(xiàn)場校準(zhǔn)和驗證實際上是在現(xiàn)場針對流量測量系統(tǒng)(包括流量計、前后連接管道、介質(zhì)流動狀態(tài)等)的檢測運(yùn)作，目前我國尚沒有明確的在線檢定的計量法規(guī)，現(xiàn)場在線校準(zhǔn)方法與技術(shù)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(xiàn)場校準(zhǔn)方法與常用標(biāo)準(zhǔn)裝置
　　目前采用現(xiàn)場在線校準(zhǔn)的方法有流量標(biāo)準(zhǔn)裝置法和示蹤法，流量標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)裝置
(1)標(biāo)準(zhǔn)體積管。一般采用一套體積管流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和相應(yīng)的切換閘閥，就可實施流量計的定時輪換在線校準(zhǔn)。如圖2所示，關(guān)閥1，開閥2，流體經(jīng)待校流量計后進(jìn)人標(biāo)準(zhǔn)體積管實現(xiàn)在線校準(zhǔn)。國內(nèi)原油貿(mào)易計量基本實行了這種方法。
(2)標(biāo)準(zhǔn)流量計。固定安裝標(biāo)準(zhǔn)流量計系統(tǒng)組成與圖2相似，只是用標(biāo)準(zhǔn)流量計替代圖中的標(biāo)準(zhǔn)體積管。很明顯，基地式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置需要在管道上預(yù)留較多的連接管線和切換控制閘閥等輔助設(shè)備，有些類型流量計購置費(fèi)較低，但其輔助設(shè)備費(fèi)用會大大超過流量計本身購置費(fèi)，這種現(xiàn)場校準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)裝置
　　移動式與基地式的基本相同，只不過標(biāo)準(zhǔn)裝置是由專用的汽車或拖車裝載，移動式車載流量標(biāo)準(zhǔn)裝置靈活性高，到現(xiàn)場檢定方便，但裝置設(shè)備費(fèi)用較高。
2.2示蹤法
　　在現(xiàn)場應(yīng)用示蹤法校準(zhǔn)流量計國際上已相當(dāng)成熟，早在20世紀(jì)70年代就頒發(fā)了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2975一(1一7)《封閉管道中水流量測量—示蹤法》，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(kuò)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(jīng)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(zhǔn)。
　　近些年國內(nèi)也在探索示蹤法，試圖在線校準(zhǔn)大口徑水流量計。
但是，化學(xué)試劑和同位素示蹤劑污染環(huán)境，破壞水質(zhì)，在水行業(yè)一般很少采用。
2.3現(xiàn)場比對法
　　現(xiàn)場“流量比對”是指流量計在現(xiàn)場與其他“參照流量”進(jìn)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(guān)于現(xiàn)場校準(zhǔn)、比對和驗證等名詞的含義，可參看相關(guān)文獻(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)定義，不再贅述。實踐中許多專業(yè)人員探索出多種現(xiàn)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(yè)經(jīng)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(yù)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(fā)展前途的三種途徑之一:特別是國外已有產(chǎn)品測量精度誤差<土0.5%，這有利于高精度的對比檢測與現(xiàn)場在線校準(zhǔn)系統(tǒng)的建立，方便計量檢定部門到現(xiàn)場校準(zhǔn)檢測。
3運(yùn)用便攜式超聲波流量計實現(xiàn)在線校準(zhǔn)
　　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(yè)應(yīng)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(xiàn)場在線檢測和校準(zhǔn)，可供水利行業(yè)的相關(guān)檢測參考借鑒。這里對有關(guān)的原理、方法和設(shè)備等進(jìn)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(zhǔn)確度較高的便攜式超聲波流量計作為標(biāo)準(zhǔn)器具，安裝在被測管道上進(jìn)行檢測，然后將測量值和被檢流量計的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，根據(jù)比對結(jié)果計算被檢流量計的誤差，誤差二(測量值一標(biāo)準(zhǔn)值)/標(biāo)準(zhǔn)值，再利用計算的相對誤差調(diào)整被檢流量計的系數(shù)，使被檢流量計與便攜式超聲波流量計顯示流量數(shù)據(jù)一致，以達(dá)到校準(zhǔn)被檢流量計的效果。
3.2標(biāo)準(zhǔn)流量計的技術(shù)要求
　　在線校準(zhǔn)采用的便攜式超聲流量計應(yīng)具有國家法定計量檢定機(jī)構(gòu)出具的檢定證書，便攜式超聲流量計的安裝、使用應(yīng)嚴(yán)格按其操作使用說明書進(jìn)行，應(yīng)符合《超聲流量計檢定規(guī)程》(JJG1030-2007)附錄D的要求}lo;。
在線校準(zhǔn)用的其他輔助設(shè)備，如卷尺、測厚儀、秒表等計量器具均應(yīng)具有有效的檢定證書，被校流量計應(yīng)附有使用說明書，周期校準(zhǔn)的流量計還應(yīng)有前次的校準(zhǔn)證書�，F(xiàn)場校準(zhǔn)時溫度、濕度、外界磁場、機(jī)械振動等環(huán)境條件，應(yīng)符合開展現(xiàn)場校準(zhǔn)的環(huán)境條件要求，同時明確測量介質(zhì)及工作狀態(tài)、介質(zhì)溫度等工況參數(shù)，了解被校流量儀表工作狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置，確認(rèn)可以開展現(xiàn)場校準(zhǔn)。
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(shù)，n≥4;D為第i點(diǎn)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(diǎn)，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(shù)，如管道材質(zhì)、襯里材料、厚度等，根據(jù)現(xiàn)場技術(shù)資料查明并確認(rèn)。
(3)標(biāo)準(zhǔn)表安裝。將上述管道參數(shù)輸人標(biāo)準(zhǔn)表內(nèi)，得出換能器安裝距離。在安裝標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)，打磨光滑。在換能器表面均勻涂以禍合劑，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，并固定在管道上。將換能器信號傳輸電纜連接到轉(zhuǎn)換器上，按要求將信號調(diào)試到最佳狀態(tài)。
(4)計量性能校準(zhǔn)。在一定的時間內(nèi)分別讀取被校流量計和標(biāo)準(zhǔn)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(fù)性:

　　式中:E。為流量計每個流量點(diǎn)每次校準(zhǔn)的相對示值誤差;qij為第i流量點(diǎn)第j次校準(zhǔn)時的流量計示值(瞬時值或累積值);(qs)。為第i流量點(diǎn)第j次校準(zhǔn)時的標(biāo)準(zhǔn)表示值(瞬時值或累積值);Ei為被校流量計第i流量點(diǎn)示值誤差;(Er):為被校流量計第i流量點(diǎn)重復(fù)性。
　　流量點(diǎn)一般選擇1~3個，每個流量點(diǎn)校準(zhǔn)3次。每次校準(zhǔn)時，同時讀取并記錄流量計和標(biāo)準(zhǔn)表的示值，比對標(biāo)定法必須保證比對過程中時間的同步。若讀取的數(shù)值為瞬時值，則至少讀取20個數(shù)值，取其平均值;若讀取的數(shù)值為累積值，則應(yīng)保證大于最小讀數(shù)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(yīng)用中具有不可替代的優(yōu)勢:可實現(xiàn)不斷流測量，設(shè)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(wěn)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(yīng)性強(qiáng)，可用于不同管徑、不同介質(zhì)(高溫、高壓、易爆、高勃度、強(qiáng)腐蝕、放射性高)的比對，標(biāo)準(zhǔn)表價格基本與所測管徑無關(guān)，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(yè)檢測人員的技術(shù)性和經(jīng)驗性要求很強(qiáng)、操作要求很高，還需要在實踐中進(jìn)一步積累經(jīng)驗，形成技術(shù)規(guī)范。
4結(jié)論
　　現(xiàn)場校準(zhǔn)方法是計量技術(shù)發(fā)展的趨勢，特別是運(yùn)用便攜式超聲波流量計開展在線流量計的校準(zhǔn)是可行的方法，能極大地方便現(xiàn)場計量校準(zhǔn)工作，有效降低計量方面的資金消耗，易于推廣應(yīng)用。資料表明，通過開展流量計量儀表現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)的研究與應(yīng)用，可以提高計量檢測水平，達(dá)到周期性計量檢定的目的，使在線流量計測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，只要準(zhǔn)確操作，盡量減少隨機(jī)誤差和附加誤差，是可以達(dá)到國家有關(guān)部門對于工業(yè)及民用水計量準(zhǔn)確度要求的。

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