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          電磁流量計

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          污水用電磁流量計現場校準符合性研究

          來源:作者:發表時間:2019-02-26 09:05:44

           摘 要:大口徑電磁流量計使用中很難送往實驗室檢定,現在通常采取的是使用同級別超聲波流量計進行現場校準。而受限于現場環境、安裝位置等因素對兩種流量計測量結果的影響,校準結果往往需要根據校準實際情況進行符合性研究,使校準工作變得有意義。

           
          引言
                   隨著政府及社會對于水資源重視程度的提高,供水企業本身對于供水環節經濟核算的要求,使得大口徑的流量計需求日益增加。與此同時,污水處理量的增長也使得許多污水處理廠紛紛選擇使用大口徑流量計作為計量端口。電磁流量計因其無壓力損失且不受管道內流體密度、黏度、溫度等因素的影響,成為污水處理企業的首選。
           
                   大口徑電磁流量計的在線使用數量十分龐大,準確度等級一般為 0. 5 級或 1. 0 級。對于電磁流量計,國家有《JJG 1033—2007 電磁流量計》檢定規程,規程規定需將被檢電磁流量計安裝在液體流量標準裝置上進行檢定。這就要求使用企業先停止處理污水,然后將流量計從管道上拆卸下來,送到法定計量機構進行檢定。這在實際狀況下是極其困難的,時間和經濟上都不允許。因此,大部分企業只能選擇在線校準模式對流量計進行誤差驗證。由于現場管道的封閉性,使用嵌入式或插入式的標準器進行校準是不可行的,而外夾式的液體超聲波流量計精度往往劣于被校電磁流量計。綜合以上因素,目前國內對大口徑電磁流量計現場校準通常采用相同準確度等級的外夾式超聲波流量計作為標準器進行比較,即讓超聲波流量計與被校準電磁流量計串聯在現場管道中,同步讀取兩者的示值。
           
                   檢測人員在出具校準證書時給出兩種流量計的示值并評定測量結果的不確定度。現在出現了一個普遍性的問題: 校準的示值誤差經常大大超過被校流量計的**大允許誤差,且不確定度分析不夠全面。原因在于一方面標準器的準確度等級與被校流量計平級,示值誤差期望本身就比較大; 另一方面,流量計本身之外的因素對測量結果也有比較大的影響,如環境條件、介質、安裝位置等。很多用戶購買流量計后,把流量計的精度誤認為整個流量體系的精度。校準的數據偏離就讓許多用戶產生疑問甚至糾紛,這就導致了校準數據常常讓使用方無法判斷示值誤差是否準確,也無法精確修正 誤 差,更不能實現溯源性,校準就失去了意義。
           
                   國家目前沒有電磁流量計的校準規范,所以檢測人員在校準電磁流量計時往往參照電磁流量計檢定規程。問題在于,檢定電磁流量計時是在實驗室環境下進行,然而現場校準時的管道、安裝距離等條件并非如實驗室里那樣理想,按照檢定規程的方法校準電磁流量計,得到的測量結果是否有效?所以檢測人員往往只能給出現場環境下的校準結果,而無法對校準的符合性進行判斷。
           
          1 電磁流量計現場校準符合性研究的必要性
                   根據《JJF 1094—2002 測量儀器特性評定》要求,對測量儀器特性進行符合性評定時,若評定示值誤差的不確定度 U95與被校測量儀器**大允許誤差的很好值 MPEV 滿足關系 U95≤1/(根號3) MPEV 時,可不考慮示值誤差評定的測量不確定度的影響,是否合格的判定依據如表 1 所示
          MPEV 的判定依據
                   假設被校電磁流量計準確度等級為 1. 0 級,MPEV 為 1% 。使用同精度的標準器進行校準,標準器帶來的不確定度為1%/3,即在理想狀態下 U95也不可能滿足 U95≤1/3 MPEV。而當 U95 >1/3 MPEV 時,判定合格的依據如表 2 所示
          MPEV 的判定依據
                   MPEV 參照說明書或出廠檢定,是已知的值,而示值誤差一旦校準完成也可以確定,因此 U95 的評估至關重要。目前而言,校準結果的不確定度評估往往僅考慮實驗室環境下,只對測量結果的重復性、標準器示值誤差帶來的不確定度進行評定,忽略了現場環境下電磁流量計安裝在較差狀態的管道或現場安裝條件達不到要求時,其它各種因素帶來的不確定度影響。
           
                   對現場檢測結果如何進行評估? 是一直困擾著檢測技術人員的難題。這里提出研究其符合性,可以判斷測量結果是否在可控范圍內,校準是否有效。進行符合性評定的同時,能幫助用戶理解校準結果、消除疑慮,亦可有效分析出問題所在,使得使用方更容易對癥下藥進行整改。
           
          2 流量計原理
          2. 1 電磁流量計
                   電磁流量計是應用法拉第電磁感應原理,根據導電流體通過外加磁場時感生的電動勢來測量導電流體流量的一種儀器。體積流量 qv 與產生的電動勢成正比,檢測電動勢信號即可求出對應流量值。
           
          2. 2 超聲波流量計
                   超聲波流量計現場校準一般使用外夾式時差法超聲波流量計。在規定位置安裝兩個超聲波換能器相互發射超聲波信號,使聲波在流體中傳播,順流方向聲波傳播速度會增大,逆流方向則減小。同一傳播距離就有不同的傳播時間,利用傳播速度之差與被測流體流速之關系求取流速,再根據流體截面積計算出體積流量。
           
          3 符合性評定來源和影響因素
                   雖然標準器與被檢儀表在同一個管道中,介質的物理性質、環境條件和安裝位置基本相同,但同樣的因素對不同種類的流量計影響卻不一樣。這就決定了兩個準確度相近的流量計在相同條件下測量結果可能相差很大,這些會導致校準結果偏移的因素就是符合性評定的來源。
           
          3. 1 必須符合的因素
          3. 1. 1 是否滿管的影響
                   電磁流量計和超聲波流量計都屬于速度式流量計,測量得到的是管道內的平均流速,再根據管道截面積計算出流量值。然而當管道內流體不是滿管狀態時,實際流體截面積小于滿管時的流體截面積,測量的結果就會偏離很大。所以測量前一定要確認流體是否處于滿管流動狀態,對于非滿管的管道,無法進行有效的校準測量。
           
          3. 1. 2 安裝位置的影響
                   在流量計安裝位置的下游應有一定的背壓,才能確保流體充滿管道。一般的安裝位置有四種: 高位水平安裝、低位水平安裝、垂直向下安裝和垂直向上安裝。如圖 1 所示,其中高位水平安裝和垂直向下安裝極容易導致流體非滿管的情況,只允許垂直向上安裝和低位水平安裝。
           
          3. 2 需要附加進行評定的因素
          3. 2. 1 前后直管段的影響
                   流量計保證儀表安裝前后有一定長度的直管段,以確保流體到達被檢儀表時管道截面流速軸對稱分布。對于電磁流量計,當流體流速分布不均勻時,每個流動質點相對于電極幾何位置的不同,對電極所產生的感應電動勢的大小也不同,測量結果就會有偏差。
           
          超聲波流量計對直管段要求相比于電磁流量計更加苛刻,當流體不穩定時,對聲波傳播速度和方向影響很大。在前后直管段相同的情況下,兩種流量計的測量誤差也不一樣。
           
          3. 2. 2 介質的影響
                   當介質為含有雜質的污水時,會有化學、生物、物理污染物的影響。對于電磁流量計,一些沉淀物會附著在電磁流量計電極表面,常常引起零點變動,故必須確認是否周期性清理,未定期清理的電磁流量計會帶有附加誤差。
           
          污水流動過程中比凈水更容易產生氣泡,污水中的固體顆粒、生物因子、氣泡會嚴重阻礙超聲波的傳播和信號接收,對超聲波流量計的測量準確度影響是非常嚴重的。
           
          3. 2. 3 漸擴管和漸縮管的影響
                   當管道設計與電磁流量計口徑選型不符時,常常使用漸變管進行變徑。根據試驗研究,角度小于15°、直管段距離大于 5D( D 為管道直徑) 的漸擴管和漸縮管對流體狀態幾乎沒有影響; 而角度大于15°或直管段距離小于 5D 時,應當考慮漸擴管和漸縮管對測量結果的影響。
           
          3. 2. 4 管道狀態的影響
                   管道的缺陷一般包括: 管道外部起銹或附著污泥,導致外徑測量偏大; 管道類型為卷鋼,有焊接痕跡突起,導致外徑測量偏大; 管道老化內部有銹層,導致內徑實際值偏小,流量隨之偏小。電磁流量計與超聲波流量計流量計算原理同為流體平均流速乘以流體截面積,因此內徑偏差導致的流體截面積誤差會對兩種流量計造成影響。
           
                   超聲波流量計安裝時需要測量管道外徑,壁厚的測量只在打磨處進行,因為內徑 = 外徑 - 壁厚,此時要考慮外徑測量偏大的影響。
           
          3. 2. 5 超聲波流量計換能器安裝距離的影響
                   參考文獻中的試驗結果,超聲波流量計換能器安裝距離的偏差也會導致測量結果有誤差。當傳感器之間的安裝距離的相對誤差為 4. 7% 時,流量相對誤差為 10. 7% ; 管道內徑相對誤差為 - 3. 3%時,流量相對誤差為 - 5. 5% 。因此安裝距離對于超聲波流量計的影響是非常大的。須根據有無換能器安裝標尺,現場操作等因素評估誤差。
           
          3. 2. 6 其它因素影響
                   測量過程中還有其它因素會導致測量結果的失準,如: 電磁流量計周圍磁場影響、電磁流量計遠傳線路過長對信號影響、噪音對超聲波流量計的聲波影響、流量計離泵過近( 小于 30D 距離) 帶來的流場不均勻的影響等。這些都是無法現場量化的誤差來源,應盡量避免,消除產生誤差的可能性。
           
          4 評估與計算
                   用戶關心的是現場環境下流量的測量是否準確。由于缺乏專業性,用戶會認為校準結果中的示值誤差就應該代表流量測量時流量計的準確性,經常對證書給出的不確定度置之不理。除了前文提到的測量結果的重復性、標準器示值誤差引起的不確定度 u1、u2,引入各種干擾因子的不確定度分量應附加到校準結果中,根據需要附加進行評定的因素,有 u3、u4、u5、u6 等。得到:
           
          5 結論
                   **后評估的 U95根據現場環境與測量過程一般在 1. 0% ~ 4. 0% 之間。當 Δ ≤MPEV + U95 時,校準符合性判斷不合格; 當 MPEV - U95≤ Δ ≤MPEV+ U95時,根據《JJF 1094—2002 測量儀器特性評定》定義,校準符合性結果屬于待定。即可以通過采用準確度更高的測量標準、改善環境條件、增加測量次數和改變測量方法等措施,以降低測量不確定度評定。然而限制于校準方法的困乏、標準器精度的局限、現場環境的客觀存在,不確定度的評定始終
          無法達到 U95≤1/3 MPEV 的程度,測量誤差也基本不可能滿足 Δ ≤MPEV - U95,那么對電磁流量計的校準符合性研究結果只能停留在待定與不合格之間。介于污水用大口徑電磁流量計的校準現狀,我們認為符合性處于待定區間的校準過程是有意義的,使用方可以依照校準證書進行參考
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