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特大口径电磁流量计应用及标准表法检定方案
发布日期:2017-10-7 8:41:13
特大口径电磁流量计一般是指口径大于1 600mm的流体流量仪表,它主要用于水库引水、源水进水厂、自来水出厂、污水处理和污水排放等领域,可作为供水结算和计量仪表。随着城市化的发展,用水量和排放量的增加,这类仪表的需求量也不断增加。但由于其测量通径和流量特别大(如DN1 600mm在2m/s流速时流量为14 476m3/h),因此对流量标准装置、水泵的功率、标准容器都有一系列特殊要求,一般流量仪表实流检定的静态容积法和称重法都不能满足要求。研究一种新的有效而又节省能源的检定方法已成为解决这类特大口径流量计生产和发展的一个非常重要的课题。                  
电磁流量计精度高,一般为0·5%和0·3%;仪表测量管内无任何障碍物和可动部件,流体流经仪表无压力损失;仪表的测量范围宽,满度值可在 0·5~15m/s内选定,最大测量口径可达到3 000mm,所以它是可普遍应用的理想的大管径计量仪表。作者对此类仪表的实流检定作了研究,本文就此介绍如下。
2 检定方法比较
所谓流量,就是单位时间内流过封闭管道或明渠横截面积的流体量;平均流量,就是在测量时间内流量的平均值。体积流量q(t)和平均流量q可表示如下:
式中:A为流体流过的横截面面积,V(t)为通过该面上的微小面积(dA)流体的速度。当前的技术还很难按式(1)的定义直接做出流量单位的基准器,通常采用以下间接导出方法:以某个稳定的流量q向容器内连续注入流体,准确测定灌注的开始时刻τ1和停止时刻τ2,同时准确测定时间间隔Δτ=τ2- τ1内容器积存的流体数量Q,由此即可计算出平均体积流量。
实现这一操作过程的一整套系统,就是复现流量单位量值的基准和标准,它们直接来源于质量、长度、时间、温度和压力基准和标准。这套系统包括流体源(本文对象为水及其输送设备)、稳压装置(水塔或稳压容器)、管路系统(测量段及直管段)、计时器和称重仪器(或标准容器)以及换向器等附属设备。该系统要能够提供稳定的、不同的流量,以保证规定的流动状态。
根据不同的标准量具、不同的测量方法和测量前后液体的运动状态基本特征,液体流量标准装置可以分为以下几种:静态容积法装置、变水头法装置和标准表法装置。静态容积法和变水头法都是容积法,只是前者压头恒定,后者压头一直变小;前者将水塔和标准容器分开,后者二者合一;前者为静态读数,后者为动态读数。二者的共同缺点是设备庞大,特别对特大口径的流量计检定时,标准容器的容积需几百立方米,而且一次检定时间不能太长,否则容器随检定时间的加长还需增大。标准表法克服了上述缺点:在同样流量下,标准表法所用容器的体积要小得多;而且检定时间可以任意加长,而对于分辨率不高的被检流量计来说,加长检定时间是减小检定误差的有效方法。综上所述,作者认为采用标准表法检定特大口径电磁流量计是较为合理的选择。 
3 标准表法检定方案 
3·1 标准表法检定方案及其验证
为了满足特大口径电磁流量计的检定要求,本方案的标准装置采用了恒水头式结构。该装置是在原有的国家水大流量计量站的流量标准装置基础上进行技术改造而成,其原理见图1。该装置的主要性能参数:
(1)装置的水塔(溢流稳压)水头高27·4m,容积为1 000m3,能满足特大口径仪表的检定要求,最大流量为16 000m3/h;
(2)水池容量为2 000m3;
(3)标准流量计采用DN1 000mm的智能型E-mag电磁流量计;标准管段DN1 000mm的总长为49m,安装被检流量计的试验管段总长为32m,满足电磁流量计直管段要求;
(4)装置设计系统精确度为0·15%;
(5)电控系统的流量调节、数据采集、处理、检定结果打印等通过工控机实现;
(6)用计算机计量软件对标准表的检定和误差进行修正。
由上述可知,本方案应用的标准流量计是DN1 000的E-mag电磁流量计,而被检的流量计则为口径大于1 600mm的特大口径流量计,即用小口径标准流量计来检定大口径流量计。
为了证明其可行性,特对此方案作了验证评估。验证评估的方法是将DN100的电磁流量计作为被检仪表,分别用DN50的标准流量计对它作变口径标准表法检定,再对同一台表用静态容积法进行检定。前者的检定结果基本误差为±0·20%,后者的检定结果基本误差为±0·24%,校验数据见表1。
在变口径验证试验的同时,还对同一口径流量计作了不同检定方法的验证评估,分别对DN50、DN80、DN100电磁流量计作了静态容积法和标准表法的检定,结果也是令人满意的。从表1可见,相对偏差均在0·01%~0·04%范围内,因此可以认为用小口径标准流量计对大口径流量计作标准表法检定是可行的,并可推广到特大口径流量计的检定中去。
3·2 标准表的选择和检定
标准流量计应该选用流量范围宽、精确度高、可靠性好的流量计,比较各种流量计后作者选择了电磁流量计作为标准流量计,其理由如下:
(1)公称通径范围大,从DN15到DN3 000;
(2)流体最高流速可达15m/s;
(3)SMART转换器采用新颖的多频励磁方式,因此功耗低、零点稳定、精确度高,DN15~DN600精度为±0·3%,DN700~DN3000精确度为0·5%,流量范围可达1500∶1;
(4)转换器采用16位微处理器,参数设定方便、编程可靠;
(5)转换器采用表面安装技术(SMT),具有很高的可靠性和自检、自诊断功能;
(6)具有电流、脉冲、数字通讯、HART协议等多种输出信号,可满足各种二次仪表或数据采集设备的要求。
根据上述理由,作者选择了E-mag DN1000的电磁流量计作为标准流量计,并用静态容积法对该仪表在不同流量下检定了14个流量点。由于电磁流量计有以下特点:在小流量时线性度稍差,基本误差较大;在大流量时线性度较好,基本误差较小,因此在各个检定点之间不是均匀分布的。我们采用最小二乘法对14个检定点的数据进行分段拟合,得到标准表误差曲线经验公式。数据表明,经过拟合后的标准表误差曲线与静态容积法检定的测量误差之间的相对误差不超过±0·000 1%,可作为修正标准表测量误差的依据。
3·3 标准流量计的不确定度
标准流量计有定点和不定点两种不同的使用方法,与此相应,评定该流量计不确定度的计算方法也有所不同。
(1)作为定点使用时,各个检定点单次测量的A类不确定度(Er)i为:
式中:(σc)i是第i个检定点的修正值的A类不确定度;Qi是第i个检定点的平均指示流量;ta是置信概率为95%的t分布系数,即范围因子,自由度为(n-1),n为各点检定次数。这时,标准流量计的合成不确定度E(自由度为n-1)为:
式中:En为标准装置的不确定度,未指明自由度。(2)当标准流量计作为非定点使用时,其修正值计算公式为:
式中:(Ec)i是第i次检定的修正值;Qi是第i次检定时流量计指示累积流量;(Qa)i是第i次检定时标准装置的累积流量。
当使用计算机软件对标准流量计修正值进行误差曲线拟合后,可以将拟合公式应用于计量软件中,以修正标准流量计的固有不确定度。这时,标准流量计的实际流量Qp为:
式中:Qm为测量流量;Y为某一流量点对应的修正曲线值,一般可用3次方程表示。用最小二乘法可以求出标准流量计修正公式的A类不确定度Er。这时,标准流量计的合成不确定度E(自由度为n-1)为:
式中:En为标准装置的不确定度,未指明自由度。
对于电磁流量计,Er一般检定(不加修正)为0·5%(0·005),如果En<0·1%时,经过修正后的标准流量计的合成不确定度相当于0·1%。
根据上述原理及系统设计,作者用DN1000的E-mag电磁流量计对DN2000电磁流量计作了校验,表2是其中一台的校验数据。从表2中可以看出,该被校流量计基本误差为0·5%,上限流量已达到20 000m3/h。在校验中采用计算机软件进行采样、数据采集、曲线拟合,效果很好。
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