设为主页 收藏我们 繁体中文
客服热线: 0517-86881563
分类导航
江苏创辉自动化仪表有限公司
地址:江苏金湖环城西路8号
电话:0517-86881563
传真:0517-86807860
邮箱:jsrlyb@163.com
QQ:2509499123
外贴式超声波流量计的测量与在线校准方法
发布日期:2021/1/6 15:22:20
水量计量是水资源管理和工业生产以及科学实验中的重要信息源头,在管理上它是效益考核、节能、环保科学评价的依据。水利科研的河工模型试验中也需要流量的精确测量与控制,这是模型模拟天然水流条件是否相似的基础,其准确性直接关系模型试验研究的成果质量,而流量计是其关键的测量仪表,是国家列入强检目录的计量器具。
流量是一个推导量,影响流量测量的因素较多,例如:流体的物理特性、流动特性、现场环境、计测仪表的工艺要求、安装、维护以及经济性等等。针对这些因素,流量计的发展趋势有以下3个特点:
(1)流量计的结构日趋简洁。从当前发展ZUI快、应用较多的电磁、超声波流量计来看,机械结构都很简洁,管道内无阻流部件。
(2)流量计的安装、使用日益简便。自动化程度越高,用户越愿意采用安装维护和使用简便的产品,这是插人式、外贴式流量计日益畅销的原因。
(3)流量计的功能日渐智能化。随着微电子、计算机和通信技术的飞速发展,各种流量计的功能日益完善、多样,具有多种自诊断智能功能,工况参数实时修正,数据快速处理,模拟/数字兼容通信等等,不少难以解决的计算与处理问题,依靠计算机技术便可迎刀而解。
应用高性能流量计测量是河工模型流量测控与计量校准技术不断提升的重要环节。新型的外贴式超声波流量计,适用于各种材质的管道流量测量,测量误差小于±1.0%。特别是便携外贴式超声波流量计体积小、重量轻,便于携带,可移动测量,还适用于各类管道流量计的在线计量比对校准。超声波流量计具有其测流原理基于长度与时间两个基本物理量的溯源方便性,可以预见它将超越其他原理的流量计而成为流量标准甚至是流量基准的载体。为此,本文在应用外贴式超声波流量计测量模型管道流量和管道流量计的实流在线校准技术以及如何进行比对校准方面,开展了相应的研究和探讨。
 
1.外贴式超声波流量计在线校准方法
1.1国内外在线检测校准现状
流量计的流量校准有直接测量法和间接测量法两种,校准方式又分为离线和在线两种。直接校准法亦称实流校准法,以实际流体流过被校验仪表,再用别的标准装置(标准流量计或流量标准计量器具)测出流体的流量与被校仪表的流量值作比较,也称作湿法标定。实流校准法获得的流量值既可靠又准确,是检测标准流量的主要方法。制造厂在流量计出厂前均以实流校准法在流量校准标准裝置上完成流量量值传递过程,其量值可溯源到质量、时间和温度的国家计量基准量。从计量学意义上,在线实流校准ZUI符合准确性、一致性、溯源性和实验性等计量特点。在线校准还有一种干法校准(一种间接测量法),即以测量电磁流量传感器的流通面积、结构尺寸和磁通密度B等参数来计算流量值。但是,干法校准通用性不强,一个标准只能适用于一个厂家的流量计,具有较大的局限性。而且这种方法不直观,不能直接反映管道中的水流量。
众所周知,管道流量计普遍存在着大管径、大流量在线校准困难的问题。流量计的在线校准服务早就按照国际通行的合格评定体系进行产品和体系认证,其中ZUI具代表性的是IS09000国际间的流量量值的统是用国际间的装置比对来达到的。由于我国尚未制定出相应的液体流量仪表在线校准方法,也没有比在线流量计计量精度等级高3倍以上的标准流量计。因此,所有供水企业根据各自的实际条件,都在探索切实可行的现场在线校准检定方法。
1.2外贴式超声波流量计在线校准的可行性
河工模型和在江河湖泊取水的电磁流量计(包括其他各种类型的管道流量计),需要周期检定或维修校准,受工况的影响或不宜频繁拆卸,有诸多方面的问题难以离线送检。而外贴式(亦称外夹式、外敷式、捆绑式)超声波流量计安装传感器无需管道断流,不接触介质,即贴即用,仪表测量及检修均不影响管路系统
运行,充分体现了安装简单、使用方便的特性。
河工模型试验规程以及许多水利工程的流量计量测量所要求的误差为标准流量的±5%即可,高精度的外贴式超声波流量计自身测量误差优于±1%,且可以实现一台流量计在各种管径、各种材质的管线上测量,一种传感器可测几十毫米至几千毫米的管径范围,是可移动测量或作为标准表进行在线校准的SHOU选流量计,且简便易行,是目前技术条件下作为大口径流量计在线校准的实用办法。
以往模型流量计的自校需建立量水堰,不仅使流量供水管路复杂、工程造价提高,而且校验大流量的矩形量水堰误差为±3%左右,大大低于外贴式超声波流量计。因此,应用外贴式超声波流量计进行在线比对校准不仅可行,而且能够推进计量检定工作的开展。
1.3标准流量计的技术要求
在线校准采用的外贴式超声流量计应在具有国家法定计量检定机构进行检定,并取得有效的检定证书。被校流量计应附有使用说明书,周期校准的流量计还应有前次的校准证书。
校准测量前应了解被校流量计的工作状态和管道工况,以及现场的温度、湿度、外界磁场、机裓振动等环境条件,应符合开展现场校准的工作条件要求,以准确设置标准流量计的测量参数
1.4测量过程与校准方法
(1)管径测量。用量具在传感器安装位置附近测量几次被测管道的外周长并取其平均值,推算出外直径。
(2)壁厚测量。在传感器安装位置及周围使用测厚仪测量管道壁厚,取其平均值。
(3)标准表安装。应严格按其使用说明书进行操作,首先在安装管段上确定测量位置并清理管壁,然后在传感器和管道测量点表面涂以耦合剂,使其发射面与管壁紧密接触;仪表安装完毕开启电源后,输人管道参数(包括材质、粗糙度、水温等),得出传感器精确安装距离再加以调整并紧固。
(4)计量性能校准。在一定的时间内分别读取被校流量计和标准表的流量示值,分别按式(1)~(3)计算被校流量计的示值误差和重复性:
式中,Eij为流量计每个流量点每次校准的相对示值误差;qij为第流量点第j次校准时的流量计示值(瞬时值或累积值);(qs)ij为第i流量点第j次校准时的标准表示值(瞬时值或累积值);Ei为被校流量计第讠流量点示值误差;(Er)i为被校流量计第i流量点重复性。被检流量计的测量偏差为
式中,I Ei Imax。为流量计各校准点测量偏差中的ZUI大值。
根据现场实际情况确定校准流量点,一般选择1~3个,每个流量点校准3次。每次校准时,同时读取并记录流量计和标准表的示值。
(5)校准结果处理。被校流量计的测量偏差I E I和重复性E,应分别满足式(5)和式(6),否则应
检修流量计或下线送实验室标准装置进行检验或校准。

式中,σ²s为标准流量计的ZUI大允许误差;σ²s为被校流量计的ZUI大允许误差。
 
2.测量与在线校准应用研究
2.1测量设备与超声流量计安装
(1)试验测量设备及性能。外贴式超声波流量计采用德国产新型便携式,配单组磁性传感器,测
量管径范围为50~3400mm;流速范围为0.01~25m/s;分辨率0.025cm/s;重复性误差0.15%(视应用而定);体积流量误差(流场充分发展且径向对称)士1%。管壁厚度测量为超声波测厚仪,测量范围为0.8-300mm;分辨率0.1mm。
模型流量管路上安装有 Krohne/DN100~300等5种规格的电磁流量计,测量误差优于0.5%;有3座用于模型流量率定的薄壁量水堰,测量误差为1.5%~3%。实验室流量标准装置主要由高精度电磁流量计称重装置、供水控制装置和不锈钢管路等组成,校准误差优于0.2%。
(2)外贴式超声流量计的安装。①传感器安装位置的选择:尽量选择在水平或垂直的平直管道上,安装位置前、后直管段的长度应至少满足前10D后5D(D为管道直径)的工况要求,并距水泵、阀门、弯管、法兰接头、渐扩管、渐缩管等扰流件越远越好。②传感器安装方式的选用:常用的安装方式为“Z”法(直射式)和“V”法(反射式),如图1所示。具体采用哪种安装方式取决于管道和介质特性。当现场有足够长的平直管段,水流方向与管轴平行且为轴对称分布的场合,采用“Z”法和“V”法都可以。当管径较大或接收到的信号较弱时,宜采用“Z”法安装。而对较小的管径来说,“V”法的声波传输距离比Z法增加一倍,可提高△t的测量精度,减少测量误差的效果较好。
 
2.2测量方案与在线校准试验
测量试验主要针对外贴式超声波流量计的适用性和准确度。试验首先选择在长江科学院河工模型的5套供水流量控制管路上进行,以便于进行试验条件控制和多种测试手段比对。试验选用了管径为Ф100~Ф400等6种型号的管道,并对被测管道系统中控制阀门的开度进行调节控制,以了解不同管径和不同流量。
大小对测试精度的影响。此外,还对“V”、“Z”两种测试方法进行了可靠性分析。
在线校准测量试验采用了电磁流量计、量水堰以及(中国水利水电科学研究院水力实验室)流量标准装置与外贴式超声波流量计进行比测。测量时连续输水,待量水堰测针及流量计仪表示值稳定后,开始同步计测3种量水设施的读数,以验证外贴式超声波流量计的准确度,并观测和逐步熟悉、了解、掌握外贴式超声波流量计的测量特性。
2.3测试成果与误差分析
经过一系列的实验和统计分析,得到了外贴式超声波流量计在河工模型供水管道与流量标准装置上的比测成果见表1、表2。测量数据处理依据公式(1)(6)进行。
比测说明,量水堰比所采用的流量计测量误差大,
但不受电气参数变化影响,稳定性好,可以用来比照验证另外两种流量计工作是否正常。从比测情况看,两种流量计工作正常,且之间的测值更接近,即相对误差也更小,从而验证了超声波流量计的准确性。试验采用的电磁流量计测量精度略高于超声波流量计,且安装规范,所以分析计算中采用电磁流量计的成果作为标准进行比对校验。
通过试验情况以及表1和表2测量成果可以看出:
(1)从趋势上看,在相似的流量条件下,管径越大,两种流量计的相对误差越小。另一种趋势是,在同管径条件下,流量越大,两种流量计的相对误差越测量误差大体上随着流量的增大而减小,并基本上与管径的大小成反比。
(2)在模型Ф200管道上,用“V”法测量小流量时,误差超过4%,改用“Z”法测量后,误差明显减小到2.6%;在Ф400管道上测量小流量,“Z”法比“V”法误差要小得多。说明在平直管段较短、扰流件较多的管道和较大管径上采用Z法测量小流量的效果较好。
(3)实验室流量标准装置的比对校准精度整体高
于模型管道,通过大小管径及变流量比对,“V”法比“Z”法精度高。说明在较好水流测量条件下,应用“V"法测量增加了声波测程,提高了△t的测量精度,减少测量误差的效果比较明显。
(4)测量数据表明,外贴式便携超声波流量计在理想测量条件下,误差可控制在0.5%~1%,在现场只要符合最基本的测量条件要求,测流误差在1%~3%,多次的重复试验还表明,采用的外贴式超声波流量计的测量成果重复性好,是一种合适的流量检测设备。
上述的测量特性与比测精度对于开展江河湖泊取水流量计的在线校准工作有利,因其多为大管径、大流量运行,可采用只在特定的流量点定点测量来有效地提高比对准确度;对于河工模型的流量计,有条件进行变流量测量,可反复多次比测确定其测量误差;对不同的管道条件,外贴式超声波流量计要采用合适的安装方法。
试验观测到,3种测流设备的仪表读数是不断变化的,且流量计的示值变化比量水堰快,真实反映出现场管道中的水流是紊动的,而不是标准校准装置的稳定水流,这是现场在线校准低于实验室校准精度的主要原因。这就需要特别注意,现场的管道条件不可忽视,如供水管道的测量直管段不够长,管道中有气泡噪声等等。现场测量条件的局限和不足,会使其测量精度降低。
试验硏究表明,影响外贴式超声波流量计测量精度的3个因素即管道参数、暴露悬空直管段长度及水流流态ZUI为重要,也是现场在线检测不易完全满足的情况。对于后两个因素,可采取多通道传感器充分扫描管内流速分布,或合理的设计与布置安装管道,以提高准确度。因此,如何根据现场特定的环境安装调试是用好外贴式超声波流量计的一个重要课题。本次研究在范围和深度上还有不少局限,下阶段将针对更多不同测量条件的情况开展测量应用。
 
3.结论与建议
通过应用外贴式超声波流量计比对测量管道流量,以及对在线流量计校准和检定技术的应用研究,得到了以下几点结论与建议:
(1)验证了外贴式超声流量计在实际应用中的准确度和适用性,可以对同精度及其以下的在线流量计进行比对验证或校准,是目前技术条件下管道流量计在线校准有效和实用的办法。
(2)应用外贴式超声流量计测量管道流量,可以大量减少备用流量计,还可通过与其它流量计进行周期性的或定期抽样比对测试,了解在线流量计的运行状况,使测量误差得到及时修正。
(3)由于现场条件的多样性和复杂性,为了保证和提高测量精度,在管线安装时尽量预留足够的直管段和空间,或通过对原有管线进行技术改造,在较理想的测量位置安装不锈钢直管段,来改善校准流量计的现场测量条件。
4)在线校准是计量技术发展的趋势,能有效降低计量方面资金消耗,既避免了被检流量计因检定前后装卸运输、安装等人为因素对测量结果的影响,又解决了因多种原因难以离线周期检定的难题。采用外贴式超声波流量计进行在线流量计校准的方法不仅可行,而且易于推广应用,具有良好的经济效益与社会效益。
上一页:关于超声波流量计特点功能
下一页:提高超声波流量计精度的几种算法