陳風華 王 碩 伍 莉 張澤宏

(重慶市計量質(zhì)量檢測研究院，重慶 401123)

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超聲流量計在取水計量中的應用

陳風華 王 碩 伍 莉 張澤宏

(重慶市計量質(zhì)量檢測研究院，重慶 401123)

介紹了以便攜式超聲流量計為主標準的取水計量系統(tǒng)的現(xiàn)場檢測方法，并對檢測結(jié)果的測量不確定度進行了評定。

超聲流量計；取水計量；不確定度

0 引言

水資源的計量目前雖未納入貿(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。我國法律法規(guī)已強制規(guī)定，取水單位或個人必須安裝合乎規(guī)范的取水計量系統(tǒng)(取水計量設施)，保證計量系統(tǒng)的正常運行并按照取水計量系統(tǒng)的計量結(jié)果按期繳納水資源費。取水計量系統(tǒng)的檢測已帶有強制性。因取水計量系統(tǒng)作為一個整體的特殊性(流量計口徑大不易切卸，生產(chǎn)連續(xù)性不能切卸)，使得取水計量系統(tǒng)的流量計實驗室檢定異常困難甚至無法實現(xiàn)，必須尋找現(xiàn)場檢測的方法。

1 檢測方案設計

現(xiàn)場檢測首先要求主標準器可攜帶至檢測現(xiàn)場。由于現(xiàn)場條件的復雜性，有的可能安裝有專門的檢測管道，可將標準器安裝在管道上進行檢測；但絕大多數(shù)是沒有專門的檢測管道的，且管道也不便于斷流。因此，設計的檢測方法最好是能直接在流量計的使用管道上并在不破管、不斷流的情況下進行檢測，選擇的主標準器也必須能在不破管、不斷流的情況下使用?；谶@樣的理念，設想以便攜式超聲流量計為主標準器開展取水計量系統(tǒng)的現(xiàn)場檢測。

目前，取水計量系統(tǒng)安裝的流量計多為電磁流量計、超聲流量計等，安裝管道一般為碳鋼或不銹鋼管道且一般有較長的直管道，具備使用便攜式超聲流量計檢測的條件。最終，確定了以便攜式超聲流量計為(以下簡稱超聲流量計)主標準器的取水計量系統(tǒng)現(xiàn)場檢測方法。采用測厚儀測量出管道壁厚，利用鋼卷尺等測量出管道外徑，從而計算出管道內(nèi)徑及管道截面積。超聲流量計根據(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，準確測量出管道內(nèi)介質(zhì)的流速，從而得到流量。比較超聲流量計顯示的流量及取水計量系統(tǒng)中流量計顯示的流量，即可得到取水計量系統(tǒng)的示值誤差。

因為取水計量系統(tǒng)檢測的是包括流量計及安裝管道的整個系統(tǒng)的誤差，且現(xiàn)場受環(huán)境影響大，故取水計量系統(tǒng)的計量誤差遠遠大于流量計在實驗室檢測的誤差。文章根據(jù)對重慶市現(xiàn)有部分取水計量系統(tǒng)進行試驗的結(jié)果并參考重慶市地方標準指標[1]，將取水計量系統(tǒng)最大允許誤差確定為±5%。通過不確定度評定，準確度優(yōu)于0.5級的超聲流量計檢測最大允許誤差±5%的取水計量系統(tǒng)，其結(jié)果是比較可靠的。

2 以超聲流量計為主標準現(xiàn)場檢測取水計量系統(tǒng)

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

2.1 確定管道外徑

(1)

式中：φimax為各點管道外徑中的最大值；φimin為各點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、超聲流量計使用說明書等確定傳感器安裝方式。

使超聲流量計處于正常工作狀態(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。超聲流量計傳感器安裝點應保證在2.1選擇的L1到Ln之間。

2.4 示值誤差計算及確定

在取水計量系統(tǒng)現(xiàn)場流量點上進行試驗，至少試驗3次。根據(jù)誤差理論[2]計算相對示值誤差：

(3)

式中：Ei為第i次試驗相對示值誤差，%；Vi為第i次試驗取水計量系統(tǒng)測得的累積流量值，m3；Vsi為第i次試驗超聲流量計測得的累積流量值，m3。

(4)

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

3 用超聲流量計檢測取水計量系統(tǒng)的不確定度分析

3.1 數(shù)學模型

超聲流量計測得的累積流量值按下式計算：

(5)

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

3.2 測量結(jié)果的合成標準不確定度評定

依據(jù)式(5)，按照不確定度傳播律[3]超聲流量計測得的累積流量值的合成標準不確定度評定公式為(不考慮p 取值引入的不確定度)：

(6)

相對不確定度形式即為：

(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 各輸入量的標準不確定度評定

1)超聲流量計給出的平均流速的標準不確定度

配置的超聲流量計準確度等級為0.5級，取包含因子k=2，則：

因現(xiàn)場檢測中，介質(zhì)等使用條件達不到實驗室檢定條件，故增加考慮流量不穩(wěn)、介質(zhì)等條件帶來的不確定度。由于實際檢測中是將管道外徑、壁厚等參數(shù)輸入超聲流量計后直接讀取超聲流量計顯示的累積流量值，故設計通過試驗超聲流量計顯示的累積水量值的重復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準不確定度。超聲流量計重復性試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 超聲流量計重復性試驗數(shù)據(jù) m3

由貝塞爾公式(相對量形式)，計算：

單次測量引入的標準不確定度為：

ur(s)=0.47%

超聲流量計流速測量帶來的標準不確定度為：

2)管徑測量引入的標準不確定度

用分度值為1.0mm的鋼卷尺測量管周長得到管徑。取管徑為600mm，則：

由管徑測量方法得管徑圓度引入的不確定度為：

管道外徑測量引入的標準不確定度為：

3)管道壁厚測量引入的標準不確定度

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

由管道壁厚測量方法得管道壁厚引入的不確定度為：

管道壁厚測量引入的標準不確定度為：

4)時間測量引入的標準不確定度

用分辨力為0.01s的秒表計算測量時間，人工啟停誤差為10ms，取測量時間為1min，則時間測量引入的標準不確定度為：

5)合成標準不確定度為：

ur(Vs)=0.81%

6)取k=2，則擴展不確定度為：

Ur=1.7%

根據(jù)測量儀器示值誤差符合性評定規(guī)定[4]，按3倍左右關(guān)系，測量最大允許誤差為±5%的計量儀器較為可靠。

4 結(jié)語

文章提出了采用以便攜式超聲流量計為主標準的檢測方法對取水計量系統(tǒng)進行現(xiàn)場檢測，給出了試驗方法，并對不確定度進行了評定。通過分析，認為可以采用準確度等級優(yōu)于0.5級的便攜式超聲流量計對最大允許誤差為±5%的取水計量系統(tǒng)進行檢測。

[1] DB50/319-2009污水處理終端排放計量系統(tǒng)現(xiàn)場校準方法

[2] 林宗虎，等.計量測試技術(shù)手冊.第6卷力學(三).中國計量出版社，1996

[3] JJF 1059.1—2012測量不確定度評定與表示

[4] JJF 1094—2002測量儀器特性評定

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.3.24