超聲流量計(jì)在取水計(jì)量中的應(yīng)用

陳風(fēng)華 王 碩 伍 莉 張澤宏

(重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，重慶 401123)

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超聲流量計(jì)在取水計(jì)量中的應(yīng)用

陳風(fēng)華 王 碩 伍 莉 張澤宏

(重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，重慶 401123)

介紹了以便攜式超聲流量計(jì)為主標(biāo)準(zhǔn)的取水計(jì)量系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果的測(cè)量不確定度進(jìn)行了評(píng)定。

超聲流量計(jì)；取水計(jì)量；不確定度

0 引言

水資源的計(jì)量目前雖未納入貿(mào)易結(jié)算范疇，但它為一種重要的能源資源，屬于政府監(jiān)管范疇。我國(guó)法律法規(guī)已強(qiáng)制規(guī)定，取水單位或個(gè)人必須安裝合乎規(guī)范的取水計(jì)量系統(tǒng)(取水計(jì)量設(shè)施)，保證計(jì)量系統(tǒng)的正常運(yùn)行并按照取水計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)量結(jié)果按期繳納水資源費(fèi)。取水計(jì)量系統(tǒng)的檢測(cè)已帶有強(qiáng)制性。因取水計(jì)量系統(tǒng)作為一個(gè)整體的特殊性(流量計(jì)口徑大不易切卸，生產(chǎn)連續(xù)性不能切卸)，使得取水計(jì)量系統(tǒng)的流量計(jì)實(shí)驗(yàn)室檢定異常困難甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)，必須尋找現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的方法。

1 檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)首先要求主標(biāo)準(zhǔn)器可攜帶至檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。由于現(xiàn)場(chǎng)條件的復(fù)雜性，有的可能安裝有專(zhuān)門(mén)的檢測(cè)管道，可將標(biāo)準(zhǔn)器安裝在管道上進(jìn)行檢測(cè)；但絕大多數(shù)是沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的檢測(cè)管道的，且管道也不便于斷流。因此，設(shè)計(jì)的檢測(cè)方法最好是能直接在流量計(jì)的使用管道上并在不破管、不斷流的情況下進(jìn)行檢測(cè)，選擇的主標(biāo)準(zhǔn)器也必須能在不破管、不斷流的情況下使用。基于這樣的理念，設(shè)想以便攜式超聲流量計(jì)為主標(biāo)準(zhǔn)器開(kāi)展取水計(jì)量系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

目前，取水計(jì)量系統(tǒng)安裝的流量計(jì)多為電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)等，安裝管道一般為碳鋼或不銹鋼管道且一般有較長(zhǎng)的直管道，具備使用便攜式超聲流量計(jì)檢測(cè)的條件。最終，確定了以便攜式超聲流量計(jì)為(以下簡(jiǎn)稱(chēng)超聲流量計(jì))主標(biāo)準(zhǔn)器的取水計(jì)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法。采用測(cè)厚儀測(cè)量出管道壁厚，利用鋼卷尺等測(cè)量出管道外徑，從而計(jì)算出管道內(nèi)徑及管道截面積。超聲流量計(jì)根據(jù)管道內(nèi)徑、安裝方式、介質(zhì)等參數(shù)給出傳感器安裝尺寸，準(zhǔn)確測(cè)量出管道內(nèi)介質(zhì)的流速，從而得到流量。比較超聲流量計(jì)顯示的流量及取水計(jì)量系統(tǒng)中流量計(jì)顯示的流量，即可得到取水計(jì)量系統(tǒng)的示值誤差。

因?yàn)槿∷?jì)量系統(tǒng)檢測(cè)的是包括流量計(jì)及安裝管道的整個(gè)系統(tǒng)的誤差，且現(xiàn)場(chǎng)受環(huán)境影響大，故取水計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)量誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流量計(jì)在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的誤差。文章根據(jù)對(duì)重慶市現(xiàn)有部分取水計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果并參考重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)[1]，將取水計(jì)量系統(tǒng)最大允許誤差確定為±5%。通過(guò)不確定度評(píng)定，準(zhǔn)確度優(yōu)于0.5級(jí)的超聲流量計(jì)檢測(cè)最大允許誤差±5%的取水計(jì)量系統(tǒng)，其結(jié)果是比較可靠的。

2 以超聲流量計(jì)為主標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)取水計(jì)量系統(tǒng)

用超聲流量計(jì)檢測(cè)取水計(jì)量系統(tǒng)最重要的是要確定管道外徑和壁厚，進(jìn)而確定超聲流量計(jì)傳感器的安裝尺寸和安裝位置。為提高低流量測(cè)量的準(zhǔn)確度，如果條件允許，可切斷流量計(jì)上下游流量，待管道內(nèi)流量為零時(shí)，靜態(tài)置零。

2.1 確定管道外徑

(1)

式中：φimax為各點(diǎn)管道外徑中的最大值；φimin為各點(diǎn)管道外徑中的最小值。

圖1 確定管道外徑和管道壁厚示意圖

2.2 確定管道壁厚

(2)

2.3 確定超聲流量計(jì)傳感器安裝尺寸和安裝位置

根據(jù)管道外徑、壁厚、超聲流量計(jì)使用說(shuō)明書(shū)等確定傳感器安裝方式。

使超聲流量計(jì)處于正常工作狀態(tài)，輸入管道外徑、管道壁厚、材質(zhì)等各種參數(shù)，從而獲得傳感器安裝尺寸。

根據(jù)超聲流量計(jì)傳感器安裝方式及安裝尺寸用鋼卷尺確定安裝位置。超聲流量計(jì)傳感器安裝點(diǎn)應(yīng)保證在2.1選擇的L1到Ln之間。

2.4 示值誤差計(jì)算及確定

在取水計(jì)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)流量點(diǎn)上進(jìn)行試驗(yàn)，至少試驗(yàn)3次。根據(jù)誤差理論[2]計(jì)算相對(duì)示值誤差：

(3)

式中：Ei為第i次試驗(yàn)相對(duì)示值誤差，%；Vi為第i次試驗(yàn)取水計(jì)量系統(tǒng)測(cè)得的累積流量值，m3；Vsi為第i次試驗(yàn)超聲流量計(jì)測(cè)得的累積流量值，m3。

(4)

選擇與第一次安裝方向相互垂直的另一方向重復(fù)試驗(yàn)。若兩次試驗(yàn)示值誤差之差≤1%，則取兩者的平均值為取水計(jì)量系統(tǒng)的示值誤差；若兩次試驗(yàn)示值誤差之差>1%，則重新進(jìn)行試驗(yàn)。

3 用超聲流量計(jì)檢測(cè)取水計(jì)量系統(tǒng)的不確定度分析

3.1 數(shù)學(xué)模型

超聲流量計(jì)測(cè)得的累積流量值按下式計(jì)算：

(5)

式中：Vs為超聲流量計(jì)顯示的累積流量值，m3；v為超聲流量計(jì)測(cè)得的平均流速，m/s；φ為管道外經(jīng)，m；t 為管道壁厚，m；t為測(cè)量時(shí)間，s。

3.2 測(cè)量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

依據(jù)式(5)，按照不確定度傳播律[3]超聲流量計(jì)測(cè)得的累積流量值的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定公式為(不考慮p 取值引入的不確定度)：

(6)

相對(duì)不確定度形式即為：

(7)

取管道直徑典型值為600mm，壁厚典型值為15mm，則ur(φ)靈敏系數(shù)為2.1，ur(t )靈敏系數(shù)為-0.11，ur(v)和ur(t)靈敏系數(shù)為1。

3.3 各輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

1)超聲流量計(jì)給出的平均流速的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

配置的超聲流量計(jì)準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)，取包含因子k=2，則：

因現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，介質(zhì)等使用條件達(dá)不到實(shí)驗(yàn)室檢定條件，故增加考慮流量不穩(wěn)、介質(zhì)等條件帶來(lái)的不確定度。由于實(shí)際檢測(cè)中是將管道外徑、壁厚等參數(shù)輸入超聲流量計(jì)后直接讀取超聲流量計(jì)顯示的累積流量值，故設(shè)計(jì)通過(guò)試驗(yàn)超聲流量計(jì)顯示的累積水量值的重復(fù)性的方式估算流量不穩(wěn)、介質(zhì)中含空氣等因素引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。超聲流量計(jì)重復(fù)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 超聲流量計(jì)重復(fù)性試驗(yàn)數(shù)據(jù) m3

由貝塞爾公式(相對(duì)量形式)，計(jì)算：

單次測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

ur(s)=0.47%

超聲流量計(jì)流速測(cè)量帶來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2)管徑測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

用分度值為1.0mm的鋼卷尺測(cè)量管周長(zhǎng)得到管徑。取管徑為600mm，則：

由管徑測(cè)量方法得管徑圓度引入的不確定度為：

管道外徑測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3)管道壁厚測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

用超聲波測(cè)厚儀測(cè)量管道壁厚。超聲波測(cè)厚儀的分辨力取0.1mm，取壁厚典型尺寸15mm，則：

由管道壁厚測(cè)量方法得管道壁厚引入的不確定度為：

管道壁厚測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4)時(shí)間測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

用分辨力為0.01s的秒表計(jì)算測(cè)量時(shí)間，人工啟停誤差為10ms，取測(cè)量時(shí)間為1min，則時(shí)間測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

5)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

ur(Vs)=0.81%

6)取k=2，則擴(kuò)展不確定度為：

Ur=1.7%

根據(jù)測(cè)量?jī)x器示值誤差符合性評(píng)定規(guī)定[4]，按3倍左右關(guān)系，測(cè)量最大允許誤差為±5%的計(jì)量?jī)x器較為可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

文章提出了采用以便攜式超聲流量計(jì)為主標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)方法對(duì)取水計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，給出了試驗(yàn)方法，并對(duì)不確定度進(jìn)行了評(píng)定。通過(guò)分析，認(rèn)為可以采用準(zhǔn)確度等級(jí)優(yōu)于0.5級(jí)的便攜式超聲流量計(jì)對(duì)最大允許誤差為±5%的取水計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。

[1] DB50/319-2009污水處理終端排放計(jì)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法

[2] 林宗虎，等.計(jì)量測(cè)試技術(shù)手冊(cè).第6卷力學(xué)(三).中國(guó)計(jì)量出版社，1996

[3] JJF 1059.1—2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示

[4] JJF 1094—2002測(cè)量?jī)x器特性評(píng)定

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.3.24