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电磁流量计

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污水用电磁流量计现场校准符合性研究

来源:作者:发表时间:2019-02-26 09:05:44

 摘 要:大口径电磁流量计使用中很难送往实验室检定,现在通常采取的是使用同级别超声波流量计进行现场校准。而受限于现场环?#22330;?#23433;装位置等因素对两种流量计测量结果的影响,校准结果往往需要根据校准实?#26159;?#20917;进行符合性研究,使校准工作变得有意义。

 
引言
         随着政府及社会对于水资源重视程度的提高,供水企业本身对于供水环节经?#29028;?#31639;的要求,使得大口径的流量计需求日益增加。与?#36865;?#26102;,污水处理量的增长也使得许多污水处理厂纷纷选择使用大口径流量计作为计量端口。电磁流量计因其无压力损失且不受管道内流体密?#21462;?#40655;?#21462;?#28201;度等因素的影响,成为污水处理企业的首选。
 
         大口径电磁流量计的在线使用数量十分庞大,准确度等级一般为 0. 5 级或 1. 0 级。对于电磁流量计,国家有《JJG 1033—2007 电磁流量计》检定规程,规程规定需将被检电磁流量计安装在液体流量标准装置上进行检定。这就要求使用企业先停止处理污水,然后将流量计从管道上拆卸下来,送到法定计量机构进行检定。这在实际状况下是极其困难的,时间和经济上都不?#24066;懟?#22240;此,大部分企业只能选择在线校准模式对流量计进行误差验证。由于现场管道的封闭性,使用嵌入式或插入式的标?#35745;?#36827;行校准是不可行的,而外夹式的液体超声波流量计精度往往劣于被校电磁流量计。综合以上因素,目前国内对大口径电磁流量计现场校准通常采用相同准确度等级的外夹式超声波流量计作为标?#35745;?#36827;行比较,即让超声波流量计与被校准电磁流量计串联在现场管道?#26657;?#21516;步读取两者的示值。
 
         检测人员在出具校准证书时给出两种流量计的示值并评定测量结果的不确定?#21462;?#29616;在出现了一个普遍性的问题: 校准的示值误差经常大大超过被校流量计的最大?#24066;?#35823;差,且不确定度分析不够全面。原因在于?#29615;?#38754;标?#35745;?#30340;准确度等级与被校流量计平级,示值误差期望本身就比较大; 另?#29615;?#38754;,流量计本身之外的因素对测量结果也有比较大的影响,如环境条件、介质、安装位置?#21462;?#24456;多用户购买流量计后,把流量计的精度误认为整个流量体系的精?#21462;?#26657;准的数据偏离就让许多用户产生疑问甚至纠纷,这就导致了校准数据常常让使用方无法?#21368;?#31034;值误差是否准确,也无法精确修正 误 差,更不能实现溯源性,校准就失去了意义。
 
         国家目前没有电磁流量计的校准规范,所以检测人员在校准电磁流量计时往往参照电磁流量计检定规程。问题在于,检定电磁流量计时是在实验室环境下进?#26657;?#28982;而现场校准时的管道、安装距离等条件并非如实验室里那样理想,按照检定规程的方法校准电磁流量计,得到的测量结果是否有效?所以检测人员往往只能给出现场环境下的校准结果,而无法对校准的符合性进行?#21368;稀?/div>
 
1 电磁流量计现场校准符合性研究的必要性
         根据《JJF 1094—2002 测量仪器特性评定》要求,对测量仪器特性进行符合性评定时,若评定示值误差的不确定度 U95与被校测量仪器最大?#24066;?#35823;差的绝对值 MPEV 满足关系 U95≤1/(根号3) MPEV 时,可不考虑示值误差评定的测量不确定度的影响,是否合格的判定依据如表 1 所示
MPEV 的判定依据
         假设被校电磁流量计准确度等级为 1. 0 级,MPEV 为 1% 。使用同精度的标?#35745;?#36827;行校准,标?#35745;?#24102;来的不确定度为1%/3,即在理想状态下 U95也不可能满足 U95≤1/3 MPEV。而当 U95 >1/3 MPEV 时,判定合格的依据如表 2 所示
MPEV 的判定依据
         MPEV 参照?#24471;?#20070;或出厂检定,是已知的值,而示值误差一旦校准完成也可以确定,因此 U95 的评估至关重要。目前而言,校准结果的不确定度评估往往仅考虑实验室环境下,只对测量结果的重复性、标?#35745;?#31034;值误差带来的不确定度进行评定,忽略了现场环境下电磁流量计安装在较差状态的管道或现场安装条件达不到要求时,其它各种因素带来的不确定度影响。
 
         对现场检测结果如何进行评估? 是一直困扰着检测?#38469;?#20154;员的难题。这里提出研究其符合性,可以?#21368;?#27979;量结果是否在可控?#27573;?#20869;,校准是否有效。进行符合性评定的同时,能帮助用户理解校准结果、消除疑虑,亦可有效分析出问题所在,使得使用方更容易对症下药进行整改。
 
2 流量计原理
2. 1 电磁流量计
         电磁流量计是应用法拉第电磁感应原理,根据导电流体通过外加磁场时感生的电动势来测量导电流体流量的一种仪器。体积流量 qv 与产生的电动势成正比,检测电动势信号?#32431;?#27714;出对应流量值。
 
2. 2 超声波流量计
         超声波流量计现场校准一般使用外夹式时差法超声波流量计。在规定位置安装两个超声波换能器相互发射超声波信号,使声波在流体中传播,顺流方向声波传播速?#28982;?#22686;大,逆流方向则减小。同?#28142;?#25773;距离就有不同的传播时间,利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速,再根据流体截面积计算出体积流量。
 
3 符合性评定来源和影响因素
         虽然标?#35745;?#19982;被检仪表在同一个管道?#26657;?#20171;?#23454;?#29289;理性质、环境条件和安装位置基本相同,但同样的因素对不同种类的流量计影响却不一样。这就决定了两个准确度相近的流量计在相同条件下测量结果可能相差很大,这些会导致校准结果偏移的因素就是符合性评定的来源。
 
3. 1 必须符合的因素
3. 1. 1 是否满管的影响
         电磁流量计和超声波流量计?#38469;?#20110;速度式流量计,测量得到的是管道内的平均流速,再根据管道截面积计算出流量值。然而当管道内流体不是满管状态时,实际流体截面积小于满管时的流体截面积,测量的结果就会偏离很大。所以测量前一定要确认流体是否处于满管流动状态,对于非满管的管道,无法进行有效的校准测量。
 
3. 1. 2 安装位置的影响
         在流量计安装位置的下游应有一定的背压,才能确保流体充满管道。一般的安装位置有四种: 高位水平安装、低位水平安装、垂直向下安装和垂直向上安装。如图 1 所示,其中高位水平安装和垂直向下安装极容易导致流体非满管的情况,只?#24066;?#22402;直向上安装和低位水平安装。
 
3. 2 需要附加进行评定的因素
3. 2. 1 前后直管段的影响
         流量计保证仪表安装前后有一定长度的直管段,以确保流体到达被检仪表时管道截面流速轴对?#21697;?#24067;。对于电磁流量计,当流体流速分布不均匀时,每个流动?#23454;?#30456;对于电极几何位置的不同,对电极所产生的感应电动势的大小也不同,测量结果就会有偏差。
 
超声波流量计对直管段要求相比于电磁流量计更加?#37327;蹋?#24403;流体不稳定时,对声波传播速度和方向影响很大。在前后直管段相同的情况下,两种流量计的测量误差也不一样。
 
3. 2. 2 介?#23454;?#24433;响
         当介质为含?#24615;又实?#27745;水时,会有化学、生物、物理污染物的影响。对于电磁流量计,一些沉淀物会附着在电磁流量计电极表面,常常引起零点变动,?#26102;?#39035;确认是否周期性清理,未定期清理的电磁流量计会带有附加误差。
 
污水流动过程中比净水更容易产生气泡,污水中的固体颗粒、生物因子、气泡会?#29616;?#38459;碍超声波的传播和信号接收,对超声波流量计的测量准确度影响是非常?#29616;?#30340;。
 
3. 2. 3 渐扩管和渐缩管的影响
         当管道设计与电磁流量计口径选型不符时,常常使用渐变管进行变径。根据试验研究,角度小于15°、直管段距离大于 5D( D 为管道直径) 的渐扩管和渐缩管对流体状态几乎没有影响; 而角度大于15°或直管段距离小于 5D 时,应当考虑渐扩管和渐缩管对测量结果的影响。
 
3. 2. 4 管道状态的影响
         管道的缺陷一般包括: 管道外部起锈或附着污泥,导致外径测量偏大; 管道类型为卷钢,有焊接痕迹突起,导致外径测量偏大; 管道老化内部有锈层,导致内径实际值偏小,流量随之偏小。电磁流量计与超声波流量计流量计算原理同为流体平均流速乘以流体截面积,因此内径偏差导致的流体截面积误差会对两种流量计造成影响。
 
         超声波流量计安装时需要测量管道外径,壁厚的测量只在打磨处进?#26657;?#22240;为内径 = 外径 - 壁厚,此时要考虑外径测量偏大的影响。
 
3. 2. 5 超声波流量计换能器安装距离的影响
         参考文献中的试验结果,超声波流量计换能器安装距离的偏差?#19981;?#23548;致测量结果有误差。当传感器之间的安装距离的相对误差为 4. 7% 时,流量相对误差为 10. 7% ; 管道内径相对误差为 - 3. 3%时,流量相对误差为 - 5. 5% 。因此安装距离对于超声波流量计的影响是非常大的。须根据有无换能器安装标尺,现场操作等因素评估误差。
 
3. 2. 6 其它因素影响
         测量过程中还有其它因素会导致测量结果的失准,如: 电磁流量计周围磁场影响、电磁流量计远传线路过长对信号影响、噪音对超声波流量计的声波影响、流量计离泵过近( 小于 30D 距离) 带来的流场不均匀的影响?#21462;?#36825;些都是无法现场量化的误差来源,应尽量避免,消除产生误差的可能性。
 
4 评估与计算
         用户关心的是现场环境下流量的测量是否准确。由于缺乏专业性,用户会认为校准结果中的示值误差就应?#20040;?#34920;流量测量时流量计的准确性,经常对证书给出的不确定度置之不理。除了前文提到的测量结果的重复性、标?#35745;?#31034;值误差引起的不确定度 u1、u2,引入各种干扰因子的不确定度分量应附加到校准结果?#26657;?#26681;据需要附加进行评定的因素,有 u3、u4、u5、u6 ?#21462;?#24471;到:
 
5 结论
         最后评估的 U95根据现场环境与测量过程一般在 1. 0% ~ 4. 0% 之间。当 Δ ≤MPEV + U95 时,校准符合性?#21368;?#19981;合格; 当 MPEV - U95≤ Δ ≤MPEV+ U95时,根据《JJF 1094—2002 测量仪器特性评定》定义,校准符合性结果属于待定。?#32431;?#20197;通过采用准确度更高的测量标准、改善环境条件、增加测量?#38382;?#21644;改变测量方法等措施,以降低测量不确定度评定。然而限制于校准方法的困乏、标?#35745;?#31934;度的局限、现场环境的客观存在,不确定度的评定始终
无法达到 U95≤1/3 MPEV 的程度,测量误差?#19981;?#26412;不可能满足 Δ ≤MPEV - U95,那么对电磁流量计的校准符合性研究结果只能停留在待定与不合格之间。介于污水用大口径电磁流量计的校准现状,我们认为符合性处于待定区间的校准过程是有意义的,使用方可以依照校准证书进行参考
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