姚 靈,王欣欣

(寧波水表(集團)股份有限公司,浙江 寧波 315032)

0 引言

從提升水計量性能視角作出判斷，電子水表(即第二代智能水表)是今后水表產(chǎn)品的主要發(fā)展方向。電子水表的流量傳感器，由于主流產(chǎn)品沒有機械運動機構(gòu)(如旋轉(zhuǎn)葉輪與活塞等)，因此具有測量范圍寬、測量準確度高、使用壽命長、壓力損失小、直接輸出電信號、測量特性容易修正等特點，是當前公認的新一代水表部件[1]?，F(xiàn)行國家標準GB/T 778.1—2018根據(jù)不同使用場景要求，將水表產(chǎn)品計量性能劃分為兩個準確度等級，即1級水表與2級水表?；谀壳暗募夹g(shù)發(fā)展，在測量性能一致性極優(yōu)的電子水表產(chǎn)品中進行嚴格的特性校準，是實現(xiàn)1級準確度等級水表的唯一途徑。因此，深入分析并研究電子水表測量特性是開展水表特性校準的一項重要工作。

1 水表測量特性

1.1 電子水表構(gòu)成

水表中的流量傳感器是基于電原理或電子原理進行測量工作的，如利用法拉第電磁感應(yīng)定律構(gòu)建的電磁水表、利用超聲波渡越時間法構(gòu)建的超聲水表，以及利用射流附壁效應(yīng)與反饋振蕩原理構(gòu)建的射流水表等。作為新型水表，電子水表通常可以包括某些特殊結(jié)構(gòu)的帶電子裝置的機械水表，如流量傳感器利用旋轉(zhuǎn)葉輪(速度式)或旋轉(zhuǎn)活塞(容積式)結(jié)構(gòu)的機傳電顯水表等。電子水表分類如圖1所示。

圖1 電子水表分類

1.2 關(guān)鍵性能指標

電子水表的計量性能主要是由最大允許誤差與重復(fù)性等指標構(gòu)成的。最大允許誤差規(guī)定了在流量測量范圍內(nèi)，水表示值誤差不能超越的界限(也可稱其為測量誤差的邊界值)，并分為高區(qū)和低區(qū)，分別規(guī)定了相應(yīng)的最大允許誤差的限值。而重復(fù)性指標則規(guī)定了所有準確度等級的電子水表，在其流量測量范圍內(nèi)的測量重復(fù)性均應(yīng)不超過其最大允許誤差限值的三分之一[2]。

1.3 額定工作條件

額定工作條件是水表產(chǎn)品能根據(jù)設(shè)計要求進行正常工作的基本條件。它由流量范圍 (最小流量Q1至常用流量Q3)、環(huán)境溫度范圍(5～55 ℃)、水溫等級(T30～T180)、環(huán)境相對濕度范圍(0%～100%)及壓力范圍(0.03 MPa到最高允許壓力)等組成。DN500以下管徑水表的最高允許壓力至少應(yīng)達到1 MPa；DN500及以上管徑水表的最高允許壓力至少應(yīng)達到0.6 MPa。

1.4 測量特性分析

圖2 電子水表測量特性示意圖

多數(shù)情況下，傳感器在進行非電量與電量的轉(zhuǎn)換過程中都會不同程度地出現(xiàn)非線性的測量特性。

2 測量特性表征

電子水表非線性測量特性是由傳感器產(chǎn)生的，因此對每類水表傳感器工作原理與測量特性的分析既有利于理論校準的實施，又有利于實流校準策略的選用。

以下是幾種電子水表傳感器的測量特性。

2.1 超聲水表

以換能器過軸線安裝的單聲道對射式超聲水表為例,發(fā)射與接收換能器組測量獲得的線平均流速與其對應(yīng)的管道內(nèi)面平均流速的關(guān)系為[3]：

(1)

(2)

式中：D為測量管內(nèi)徑；φ為換能器與測量管軸線之間的安裝角度；Δt為超聲波正逆向傳播時間差；t1、t2為超聲波正向與逆向傳播時間。

所以有:

(3)

式中：k2為基于理論校準的實流示值微調(diào)系數(shù);A1為超聲水表測量管段截面積。

如采用實流校準方法，則：

(4)

式中：k3為實流校準時的示值調(diào)整系數(shù)。

單聲道對射式超聲水表線-面平均流速關(guān)系如圖3所示。

圖3 超聲水表線-面平均流速關(guān)系圖

超聲水表未校準前測量特性系數(shù)變化如圖4所示。

圖4 超聲水表未校準前測量特性系數(shù)變化圖

超聲水表示值誤差曲線如圖5所示[5]。

圖5 超聲水表示值誤差曲線示意圖

2.2 電磁水表

在近似條件下，電極獲取的感應(yīng)電動勢[6]為：

(5)

所以：

(6)

式中:k4為基于理論校準的實流示值微調(diào)系數(shù)。

如采用實流校準方法，可將式(6)化簡為:

qv=k5e

(7)

式中:k5為實流校準時的示值調(diào)整系數(shù)。

電磁水表傳感器測量特性如圖6所示。圖6中：a為電磁水表因內(nèi)外部干擾導(dǎo)致零點處產(chǎn)生的輸出(漂移)值，即實際特性方程的截距；b為直線特性方程斜率(注：假設(shè)圖中b為恒定常量)。由圖6可知，電磁水表傳感器的測量特性具有良好的線性度。

圖6 電磁水表傳感器測量特性示意圖

2.3 射流水表

射流水表原理為[7]：

(8)

式中：f為射流在腔體內(nèi)的振蕩頻率；Sr為斯特勞哈爾數(shù)；d為射流振蕩腔體的特征尺寸。

(9)

如采用實流校準方法,可將式(9)簡化為:

qv=k7f

(10)

式中：k7為實流校準時的示值調(diào)整系數(shù)。

射流水表傳感器測量特性如圖7所示。

圖7 射流水表傳感器測量特性示意圖

2.4 機傳電顯水表

機傳電顯水表是機械傳感電子顯示水表的簡稱。其儀表系數(shù)可表示為：

(11)

式中：Ki為機傳電顯水表在流量測量范圍內(nèi)的任一流量點儀表系數(shù)；qvi為流量測量范圍內(nèi)的任一流量點瞬時體積流量值。

Ni=Kiqvi

(12)

式中:Ni為對應(yīng)流量點qvi的葉輪轉(zhuǎn)速。

機傳電顯水表傳感器測量特性如圖8所示[8]。

圖8 機傳電顯水表傳感器測量特性示意圖

圖8中:qvj、qvi為管道內(nèi)任一流量點的瞬時體積流量值；Nj為任一流量值qvj對應(yīng)的葉輪轉(zhuǎn)速；K為機傳電顯水表理想特性的儀表系數(shù)，為常量；Ki為機傳電顯水表實際特性的任一流量值qvi對應(yīng)的儀表系數(shù)，為變量；Ni為任一流量值qvi對應(yīng)的葉輪轉(zhuǎn)速；qs為水表始動流量。

機傳電顯水表典型的誤差曲線如圖9所示。

（1）支設(shè)模板：須注意平面位置、高度、垂直度、泛水坡度等的問題，模板與透水水泥混凝土接觸的表面應(yīng)涂隔離劑。

圖9 機傳電顯水表典型的誤差曲線示意圖

由圖9可知，誤差曲線彎曲嚴重，具有明顯的非線性測量特性。因此，機傳電顯水表均需在實流條件下進行非線性校準，使其示值誤差較好地符合最大允許誤差的要求。

3 測量特性校準

3.1 校準條件

對電子水表開展特性校準需要具備一定的條件。其中的關(guān)鍵是被測水表的重復(fù)性必須控制在較小的范圍內(nèi)(如各被檢流量點的重復(fù)性最好能控制在相應(yīng)最大允許誤差限值的五分之一內(nèi))，而水表的示值穩(wěn)定性指標也要符合相關(guān)標準的要求。只有符合這些基本條件，才能保證校準的有效性[9]。

對成批電子水表產(chǎn)品的校準，為了提高其校準效率，要求水表產(chǎn)品成批測量特性的一致性達到較高的水準。通?？刹捎贸闃訙y試的方法對成批測量特性的一致性作出評價與判斷。如：通過樣品的試驗標準偏差決定成批產(chǎn)品特性的發(fā)散性；通過樣品的均值誤差曲線決定成批產(chǎn)品的校準策略等。抽樣水表平均誤差曲線如圖10所示。

圖10 抽樣水表平均誤差曲線示意圖

校準后的電子水表還需按標準要求對其開展電子封印管理，保障其校準系數(shù)不被篡改與修改，確保法制計量的有效性。

3.2 校準方法

電子水表傳感器的測量特性校準方法通?？煞譃槔碚撔逝c實流校準[10]。

理論校準即非實流(干式)校準，適用于公稱通徑比較大的電子水表。理論校準可以避免制造費用昂貴的大口徑水表校表試驗臺，降低校表成本，但校準的不確定度相對較大。實流校準是采用容積法或質(zhì)量法校表試驗臺對電子水表進行實流比較試驗的校準。通常情況下，實流校準的測量不確定度要高于理論校準的方法。

①理論校準。

要實現(xiàn)理論校準，首先要了解電子水表傳感器的輸入-輸出特性，即明確其測量原理及原理式，以及輸入-輸出之間的函數(shù)關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上按分項指標進行數(shù)值確認。

因此，只要測得電磁水表傳感器測量電極上的e，乘上括號內(nèi)的實測數(shù)值，就能得到管道內(nèi)有一定測量不確定度的瞬時流量值qv。

理論校準的測量不確定度是由各測量值的測量不確定度綜合決定的。

②實流校準。

多數(shù)電子水表傳感器的測量特性是通過實流校準的。這是因為某些電子水表傳感器的測量特性具有復(fù)雜的非線性(如超聲水表、機傳電顯水表等)，需要在實流條件下對其進行分段校準。

如機傳電顯水表，在流量測量范圍內(nèi)實際特性的儀表系數(shù)Ki是一個變量，也可以將其描述為被測體積流量或流速的函數(shù)。

(13)

由于機傳電顯水表的實際測量特性較復(fù)雜，很難用數(shù)學(xué)表達式進行統(tǒng)一描述，通常采用離散方式表達機傳電顯水表的測量特性。

(14)

通過分段方式，可以對每段測量特性給出一個擬合的特性校準方程，用于其測量特性的非線性校準。

Nt=mt+ctqvt,t=1,2,...,n

(15)

式中:ct為機傳電顯水表第t段擬合直線方程的斜率；mt為機傳電顯水表第t段擬合直線方程的截距；Nt為機傳電顯水表第t段擬合后的葉輪轉(zhuǎn)速特性；qvt為機傳電顯水表第t段被測體積流量范圍。

機傳電顯水表分段特性校準如圖11所示。

圖11 機傳電顯水表分段特性校準示意圖

分段校準方法通常有分段直線擬合法、分段及分段關(guān)聯(lián)系數(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。

實流校準的準確度是由校準方法的合理性、水表校驗臺的綜合不確定度和校驗用水體積值等因素決定的。

③綜合校準。

某些電子水表，如單聲道對射式超聲水表，其測量特性的非線性比較復(fù)雜，因此前期需要采用理論校準法將其測量特性修正到接近直線的狀態(tài)，后期再采用實流校準方法進行微調(diào)與復(fù)核。如：首先分別采用理論校準方法對超聲水表處于層流和紊流狀態(tài)時的測量特性進行預(yù)修正，對過渡流狀態(tài)的特性進行直線特性的擬合；然后采用實流校準的方法進行細致的微調(diào)與復(fù)核，使超聲水表的測量結(jié)果被限制在較小的系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)。

對于電磁水表、射流水表等測量特性接近線性的水表以及非線性特性較嚴重的機傳電顯水表，也可以采用理論和實流相結(jié)合的方法進行綜合校準，以期達到較好的校準效果，從而最大限度地消除系統(tǒng)誤差的影響。

4 影響校準的因素

4.1 被測介質(zhì)變化

經(jīng)過特性校準的電子水表在投入使用時，管道內(nèi)流體流動分布狀態(tài)應(yīng)與出廠特性校準時的流態(tài)分布一致，否則將會導(dǎo)致校準的失效和水表測量特性的劣化。如：對于單聲道對射式超聲水表，流速分布畸變會使大流量測量段的示值誤差發(fā)生顯著的改變；對于電磁水表，因為測量管道內(nèi)存在電極間的權(quán)重(空間分布)函數(shù)，流速分布畸變會在流量測量范圍內(nèi)引入較大的系統(tǒng)誤差等。

管道內(nèi)被測飲用水的水溫、水壓等指標超過標準規(guī)定的額定條件，也會影響電子水表校準的有效性。如：對于射流水表，當被測介質(zhì)溫度發(fā)生較大改變時，因材料溫度系數(shù)的存在會導(dǎo)致d發(fā)生相應(yīng)的改變，從而使f變化，最終使水表輸出值發(fā)生同步的變化；對于超聲水表與電磁水表，被測介質(zhì)溫度顯著改變或安裝時承受非正常外力影響，都會導(dǎo)致D、L以及φ的改變，影響電子水表校準的有效性與準確性。

4.2 環(huán)境因素變化

環(huán)境影響因素如超出標準規(guī)定的要求，也會導(dǎo)致電子水表校準結(jié)果發(fā)生一定的偏移，如電磁環(huán)境影響(靜電放電、射頻抗擾度等)、氣候環(huán)境影響(高低溫、濕熱等)以及機械環(huán)境影響(振動、沖擊等)等。

4.3 其他因素影響

其他影響因素主要有實流校準方法的科學(xué)性與合理性、理論校準方法的測量不確定度，以及測量裝置的不確定度等。

5 結(jié)論

測量特性是電子水表傳感器的固有特性，是由其結(jié)構(gòu)原理決定的。本文研究與分析了電子水表測量原理、輸入-輸出特性以及關(guān)鍵性能指標等，有助于深入理解電子水表的原理與特性、針對性地選用正確的校準方法、減少校準過程中的不確定性。通過特性修正，可以將電子水表的非線性特性與系統(tǒng)誤差控制在較小的允許范圍內(nèi)，以最大限度滿足產(chǎn)品標準對水表出廠檢驗與現(xiàn)場使用等的要求。