基于标准表定点量传的大口径电磁流量计在线校准方法研究

0引言
    电磁流量计以其安装方便、准确度高等优点，在我国自来水贸易结算、污水排放中被广泛使用。一方面贸易结算和污水排放电磁流量计要求定期进行计量检定，根据JJG1033—2007电磁流量计检定规程中使用的要求，0.5级及以下的电磁流量计的检定周期为2年，且需要拆下送实验室离线检定;另一方面，许多大口径电磁流量计(一般为DN300以上)由于生产、拆卸和运输等问题，无法实现定期的离线检定，从而无法溯源。因此，国内很多计量检测机构开展了大口径电磁流量计的在线校准。
    目前，大口径电磁流量计在线校准常用的方法是外夹式超声波流量计在线比对法［1－4］。此方法的优点是标准表现场校准时直接夹在被检流量计管道上进行，不需要企业停止生产，给企业带来方便，但也存在缺点，主要表现为:1)标准表现场使用条件(管道材质、管道口径和流速大小)与实验室溯源条件不一致;2)对于现场管道内外壁腐蚀，井内操作空间狭小的情况，使用外夹式超声波流量计无法在线校准。
    本文提出了标准表定点量传的试验方法，使外夹式超声波流量计现场使用的管道材质、管道口径和流速大小与实验室溯源时保持一致或近似一致，有效地提高了测量精度。对于现场管道内外壁腐蚀和井内操作空间狭小的情况，采用插入式流量计作为标准表，避免测量探头与管壁接触，从而达到在线校准的目的。
1实验方案
    研究采用的标准表为外夹式超声波流量计(检测范围为DN50～DN2400，流量重复性为0.15%)和插入式电磁流量计(检测口径为DN800，流量重复性为0.33%)。实验室流量标准装置为标准表法流量标准装置(检测范围为DN15～DN1200，装置扩展不确定度为Urel=0.1%，k=2)。现场被校流量计为大口径电磁流量计(管道材质为碳钢，管道口径为DN800，流量计常用流速范围为0.5～1.5m/s)。标准表先在实验室流量标准装置上溯源，如图1所示［5］，再将溯源的仪表系数k设置到标准表内，最后标准表现场校准大口径电磁流量计。     外夹式超声波流量计在实验室溯源时，流量装置实验段处为碳钢材质，管道口径为DN200～DN1200，流速为0.5～3m/s，分别溯源得到碳钢管道材质下，不同管道口径和不同流速的仪表系数k。为便于分析管道材质的影响，另外进行管线为不锈钢材质，管道口径为DN800，流速为0.5～3m/s的实验。
    插入式电磁流量计在实验室流量装置溯源时，实验段的条件与现场校准条件一致，即管道口径为DN800，流速为0.5～1.5m/s，分析插入式流量计在线校准大口径电磁流量计的可行性。
2标准表定点量传的条件和方法
2.1标准表定点量传的条件
    1)相同的管道材质。外夹式超声波流量计作为标准表，应使实验室溯源管道材质与现场校准的管道材质保持一致;
    2)相同的管道口径。标准表在现场使用的管道口径应与其在实验室溯源的管道口径保持一致;
    3)相同或相近的流速点。标准表实验室溯源的流速点与现场校准的流速点保持相同或相近;
    4)相同的安装重复性。使用插入式流量计作为标准表，其探头的安装方位和插入深度与实验室溯源时保持一致。
2.2现场检测方法
    1)确定现场管道材质，测量现场检测段处的管道口径，确定现场电磁流量计的常用流速大小;
    2)加工一段与现场试验段的材质和口径一致的管道，安装在实验室流量标准装置的检测段处，将标准表在流量标准装置上安装溯源，溯源流速点包含现场电磁流量计的常用流速点;
    3)将溯源完毕的标准表按照实验室的溯源条件和安装位置安装到现场试验管段处进行校准;
    4)将被校大口径电磁流量计和标准表的瞬时流量(或一段时间累积流量)进行比对，算出示值误差，实现定点校准。
3实验结果及分析
3.1外夹式超声波流量计的实验室溯源实验
    加工不同口径的管道，分别安装在流量标准装置试验段处进行外夹式超声波流量计实验室溯源。管道材质为碳钢，与现场管道材质保持一致;管道口径为DN200～DN1200，包含现场管道口径;流速大小为0.5～2m/s，包含现场被校流量计的常用流速。溯源得到不同条件下的仪表系数k，如表1所示。 另加工一段口径为DN800的不锈钢管道，安装在流量标准装置实验段处进行外夹式超声波流量计溯源实验，流速大小为0.5～2m/s，溯源得到的仪表系数k如表2所示。 通过以上外夹式超声波流量计的实验室溯源数据可得出以下结论:
    1)在相同管道材质和相同管道口径下，流速范围在0.5～2m/s内的仪表系数无变化规律，最大相差0.42%;
    2)在相同管道材质和相同流速下，随着管道口径增大，仪表系数总体变小，最大相差1.31%;
    3)在相同流速大小和DN800管道材质下，不锈钢管道材质的仪表系数要比碳钢仪表系数大，最大相差1.23%。
3.2外夹式超声波流量计的现场校准结果
    实验室溯源后的外夹式超声波流量计现场校准一台DN800电磁流量计，管道碳钢材质的电磁流量计，常用流速调为1.0m/s，超声波流量计内设置相应条件的实验室溯源仪表系数k，现场校准数据如表3所示。 从现场校准结果可知:
    1)外夹式超声波流量计现场校准时，使用和现场条件一致的实验室溯源仪表系数，最大误差为－1.37%，能满足客户的要求(一般在现场条件下，大口径电磁流量计测量误差要求为±2%);
    2)若使用与现场不同条件的实验室溯源仪表系数，测量误差最多相差近1%。
3.3插入式电磁流量计的实验室溯源实验
    将插入式电磁流量计安装在DN800的管段上，并将管段安装在实验室装置实验段处，然后在1.0m/s流速点进行第一次溯源实验，溯源得到仪表系数k1;试验结束后，将插入式电磁流量计从溯源管段上拆卸下来，然后在保证和第一次安装重复性一致的情况下，将插入式电磁流量计再次安装在溯源管道中，进行第二次溯源实验，得到仪表系数k2;同样方法进行第三次溯源实验，得到仪表系数k3;最后算出平均仪表系数k，溯源数据如表4所示。     由表4可以看出，三次溯源实验的仪表系数差别不大，重复性为0.15%，说明在相同的安装管道、相同或相近流速和保证安装重复性一致的条件下，插入式电磁流量计可以较好地实现对流量的准确、重复测量。
3.4插入式电磁流量计的现场校准实验
    将实验室溯源的仪表系数设置在插入式电磁流量计内，现场校准DN800的电磁流量计，将流速调为1.0m/s，仪表系数k设置为1.3225。首先对现场管道进行在线开孔，然后将插入式电磁流量计插入管道中，确保其探头的安装方位和插入深度与实验室溯源时保持一致，最后开始在线校准，分别记录一段时间标准流量计和被校流量计累积流量，计算示值误差。现场校准数据如表5所示。     由表5可以看出，在保证插入式电磁流量计现场校准和实验室溯源安装同等条件下，在线校准大口径电磁流量计的误差为－1.93%，基本满足客户的测量要求。
4结束语
    本文提出标准表定点量传的方法在线校准大口径电磁流量计，通过实验数据分析，可得出以下结论:
    1)采用外夹式超声波流量计作为标准表，使现场试验的管道材质、管道口径和流速大小与实验室溯源条件保持一致，可提高大口径电磁流量计在线校准精度;
    2)采用插入式流量计作为标准表，使现场试验的管道口径、流速大小、探头安装方位和插入深度与实验室溯源时保持一致，可解决管道锈蚀和空间狭小的大口径电磁流量计在线校准问题。