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EMFM大口徑電磁流量計的標(biāo)準(zhǔn)表法檢定方案及其驗證，特大口徑電磁流量計一般是指口徑大于1 600mm的流體流量儀表,它主要用于水庫引水、源水進(jìn)水廠、自來水出廠、污水處理和污水排放等領(lǐng)域,可作為供水結(jié)算和計量儀表。隨著城市化的發(fā)展,用水量和排放量的增加,這類儀表的需求量也不斷增加。但由于其測量通徑和流量特別大(如DN1 600mm在2m/s流速時流量為14 476m3/h),因此對流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、水泵的功率、標(biāo)準(zhǔn)容器都有一系列特殊要求,一般流量儀表實流檢定的靜態(tài)容積法和稱重法都不能滿足要求。研究一種新的有效而又節(jié)省能源的檢定方法已成為解決這類特大口徑流量計生產(chǎn)和發(fā)展的一個非常重要的課題。                  

電磁流量計精度高,一般為0·5%和0·3%;儀表測量管內(nèi)無任何障礙物和可動部件,流體流經(jīng)儀表無壓力損失;儀表的測量范圍寬,滿度值可在 0·5~15m/s內(nèi)選定,zui大測量口徑可達(dá)到3 000mm,所以它是可普遍應(yīng)用的理想的大管徑計量儀表。作者對此類儀表的實流檢定作了研究,本文就此介紹如下。

2 檢定方法比較

所謂流量,就是單位時間內(nèi)流過封閉管道或明渠橫截面積的流體量;平均流量,就是在測量時間內(nèi)流量的平均值。體積流量q(t)和平均流量q可表示如下:

式中:A為流體流過的橫截面面積,V(t)為通過該面上的微小面積(dA)流體的速度。當(dāng)前的技術(shù)還很難按式(1)的定義直接做出流量單位的基準(zhǔn)器,通常采用以下間接導(dǎo)出方法:以某個穩(wěn)定的流量q向容器內(nèi)連續(xù)注入流體,準(zhǔn)確測定灌注的開始時刻τ1和停止時刻τ2,同時準(zhǔn)確測定時間間隔Δτ=τ2- τ1內(nèi)容器積存的流體數(shù)量Q,由此即可計算出平均體積流量。

實現(xiàn)這一操作過程的一整套系統(tǒng),就是復(fù)現(xiàn)流量單位量值的基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn),它們直接來源于質(zhì)量、長度、時間、溫度和壓力基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)。這套系統(tǒng)包括流體源(本文對象為水及其輸送設(shè)備)、穩(wěn)壓裝置(水塔或穩(wěn)壓容器)、管路系統(tǒng)(測量段及直管段)、計時器和稱重儀器(或標(biāo)準(zhǔn)容器)以及換向器等附屬設(shè)備。該系統(tǒng)要能夠提供穩(wěn)定的、不同的流量,以保證規(guī)定的流動狀態(tài)。

根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)量具、不同的測量方法和測量前后液體的運(yùn)動狀態(tài)基本特征,液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可以分為以下幾種:靜態(tài)容積法裝置、變水頭法裝置和標(biāo)準(zhǔn)表法裝置。靜態(tài)容積法和變水頭法都是容積法,只是前者壓頭恒定,后者壓頭一直變小;前者將水塔和標(biāo)準(zhǔn)容器分開,后者二者合一;前者為靜態(tài)讀數(shù),后者為動態(tài)讀數(shù)。二者的共同缺點是設(shè)備龐大,特別對特大口徑的流量計檢定時,標(biāo)準(zhǔn)容器的容積需幾百立方米,而且一次檢定時間不能太長,否則容器隨檢定時間的加長還需增大。標(biāo)準(zhǔn)表法克服了上述缺點:在同樣流量下,標(biāo)準(zhǔn)表法所用容器的體積要小得多;而且檢定時間可以任意加長,而對于分辨率不高的被檢流量計來說,加長檢定時間是減小檢定誤差的有效方法。綜上所述,作者認(rèn)為采用標(biāo)準(zhǔn)表法檢定特大口徑電磁流量計是較為合理的選擇。 

3 標(biāo)準(zhǔn)表法檢定方案 

3·1 標(biāo)準(zhǔn)表法檢定方案及其驗證

為了滿足特大口徑電磁流量計的檢定要求,本方案的標(biāo)準(zhǔn)裝置采用了恒水頭式結(jié)構(gòu)。該裝置是在原有的國家水大流量計量站的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造而成,其原理見圖1。該裝置的主要性能參數(shù):

(1)裝置的水塔(溢流穩(wěn)壓)水頭高27·4m,容積為1 000m3,能滿足特大口徑儀表的檢定要求,zui大流量為16 000m3/h;

(2)水池容量為2 000m3;

(3)標(biāo)準(zhǔn)流量計采用DN1 000mm的智能型E-mag電磁流量計;標(biāo)準(zhǔn)管段DN1 000mm的總長為49m,安裝被檢流量計的試驗管段總長為32m,滿足電磁流量計直管段要求;

(4)裝置設(shè)計系統(tǒng)度為0·15%;

(5)電控系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集、處理、檢定結(jié)果打印等通過工控機(jī)實現(xiàn);

(6)用計算機(jī)計量軟件對標(biāo)準(zhǔn)表的檢定和誤差進(jìn)行修正。

由上述可知,本方案應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)流量計是DN1 000的E-mag電磁流量計,而被檢的流量計則為口徑大于1 600mm的特大口徑流量計,即用小口徑標(biāo)準(zhǔn)流量計來檢定大口徑流量計。

為了證明其可行性,特對此方案作了驗證評估。驗證評估的方法是將DN100的電磁流量計作為被檢儀表,分別用DN50的標(biāo)準(zhǔn)流量計對它作變口徑標(biāo)準(zhǔn)表法檢定,再對同一臺表用靜態(tài)容積法進(jìn)行檢定。前者的檢定結(jié)果基本誤差為±0·20%,后者的檢定結(jié)果基本誤差為±0·24%,校驗數(shù)據(jù)見表1。

在變口徑驗證試驗的同時,還對同一口徑流量計作了不同檢定方法的驗證評估,分別對DN50、DN80、DN100電磁流量計作了靜態(tài)容積法和標(biāo)準(zhǔn)表法的檢定,結(jié)果也是令人滿意的。從表1可見,相對偏差均在0·01%~0·04%范圍內(nèi),因此可以認(rèn)為用小口徑標(biāo)準(zhǔn)流量計對大口徑流量計作標(biāo)準(zhǔn)表法檢定是可行的,并可推廣到特大口徑流量計的檢定中去。

3·2 標(biāo)準(zhǔn)表的選擇和檢定

標(biāo)準(zhǔn)流量計應(yīng)該選用流量范圍寬、度高、可靠性好的流量計,比較各種流量計后作者選擇了電磁流量計作為標(biāo)準(zhǔn)流量計,其理由如下:

(1)公稱通徑范圍大,從DN15到DN3 000;

(2)流體zui高流速可達(dá)15m/s;

(3)SMART轉(zhuǎn)換器采用新穎的多頻勵磁方式,因此功耗低、零點穩(wěn)定、度高,DN15~DN600精度為±0·3%,DN700~DN3000度為0·5%,流量范圍可達(dá)1500∶1;

(4)轉(zhuǎn)換器采用16位微處理器,參數(shù)設(shè)定方便、編程可靠;

(5)轉(zhuǎn)換器采用表面安裝技術(shù)(SMT),具有很高的可靠性和自檢、自診斷功能;

(6)具有電流、脈沖、數(shù)字通訊、HART協(xié)議等多種輸出信號,可滿足各種二次儀表或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的要求。

根據(jù)上述理由,作者選擇了E-mag DN1000的電磁流量計作為標(biāo)準(zhǔn)流量計,并用靜態(tài)容積法對該儀表在不同流量下檢定了14個流量點。由于電磁流量計有以下特點:在小流量時線性度稍差,基本誤差較大;在大流量時線性度較好,基本誤差較小,因此在各個檢定點之間不是均勻分布的。我們采用zui小二乘法對14個檢定點的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合,得到標(biāo)準(zhǔn)表誤差曲線經(jīng)驗公式。數(shù)據(jù)表明,經(jīng)過擬合后的標(biāo)準(zhǔn)表誤差曲線與靜態(tài)容積法檢定的測量誤差之間的相對誤差不超過±0·000 1%,可作為修正標(biāo)準(zhǔn)表測量誤差的依據(jù)。

3·3 標(biāo)準(zhǔn)流量計的不確定度

標(biāo)準(zhǔn)流量計有定點和不定點兩種不同的使用方法,與此相應(yīng),評定該流量計不確定度的計算方法也有所不同。

(1)作為定點使用時,各個檢定點單次測量的A類不確定度(Er)i為:

式中:(σc)i是第i個檢定點的修正值的A類不確定度;Qi是第i個檢定點的平均指示流量;ta是置信概率為95%的t分布系數(shù),即范圍因子,自由度為(n-1),n為各點檢定次數(shù)。這時,標(biāo)準(zhǔn)流量計的合成不確定度E(自由度為n-1)為:

式中:En為標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度,未指明自由度。(2)當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)流量計作為非定點使用時,其修正值計算公式為:

式中:(Ec)i是第i次檢定的修正值;Qi是第i次檢定時流量計指示累積流量;(Qa)i是第i次檢定時標(biāo)準(zhǔn)裝置的累積流量。

當(dāng)使用計算機(jī)軟件對標(biāo)準(zhǔn)流量計修正值進(jìn)行誤差曲線擬合后,可以將擬合公式應(yīng)用于計量軟件中,以修正標(biāo)準(zhǔn)流量計的固有不確定度。這時,標(biāo)準(zhǔn)流量計的實際流量Qp為:

式中:Qm為測量流量;Y為某*量點對應(yīng)的修正曲線值,一般可用3次方程表示。用zui小二乘法可以求出標(biāo)準(zhǔn)流量計修正公式的A類不確定度Er。這時,標(biāo)準(zhǔn)流量計的合成不確定度E(自由度為n-1)為:

式中:En為標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度,未指明自由度。

對于電磁流量計,Er一般檢定(不加修正)為0·5%(0·005),如果En<0·1%時,經(jīng)過修正后的標(biāo)準(zhǔn)流量計的合成不確定度相當(dāng)于0·1%。

根據(jù)上述原理及系統(tǒng)設(shè)計,作者用DN1000的E-mag電磁流量計對DN2000電磁流量計作了校驗,表2是其中一臺的校驗數(shù)據(jù)。從表2中可以看出,該被校流量計基本誤差為0·5%,上限流量已達(dá)到20 000m3/h。在校驗中采用計算機(jī)軟件進(jìn)行采樣、數(shù)據(jù)采集、曲線擬合,效果很好。