EMFM大口徑電磁流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)表法檢定方案及其驗(yàn)證，特大口徑電磁流量計(jì)一般是指口徑大于1 600mm的流體流量?jī)x表,它主要用于水庫(kù)引水、源水進(jìn)水廠、自來(lái)水出廠、污水處理和污水排放等領(lǐng)域,可作為供水結(jié)算和計(jì)量?jī)x表。隨著城市化的發(fā)展,用水量和排放量的增加,這類(lèi)儀表的需求量也不斷增加。但由于其測(cè)量通徑和流量特別大(如DN1 600mm在2m/s流速時(shí)流量為14 476m3/h),因此對(duì)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、水泵的功率、標(biāo)準(zhǔn)容器都有一系列特殊要求,一般流量?jī)x表實(shí)流檢定的靜態(tài)容積法和稱(chēng)重法都不能滿(mǎn)足要求。研究一種新的有效而又節(jié)省能源的檢定方法已成為解決這類(lèi)特大口徑流量計(jì)生產(chǎn)和發(fā)展的一個(gè)非常重要的課題。

電磁流量計(jì)精度高,一般為05%和03%;儀表測(cè)量管內(nèi)無(wú)任何障礙物和可動(dòng)部件,流體流經(jīng)儀表無(wú)壓力損失;儀表的測(cè)量范圍寬,滿(mǎn)度值可在 05~15m/s內(nèi)選定,*大測(cè)量口徑可達(dá)到3 000mm,所以它是可普遍應(yīng)用的理想的大管徑計(jì)量?jī)x表。作者對(duì)此類(lèi)儀表的實(shí)流檢定作了研究,本文就此介紹如下。
2 檢定方法比較
所謂流量,就是單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)封閉管道或明渠橫截面積的流體量;平均流量,就是在測(cè)量時(shí)間內(nèi)流量的平均值。體積流量q(t)和平均流量q可表示如下:
式中:A為流體流過(guò)的橫截面面積,V(t)為通過(guò)該面上的微小面積(dA)流體的速度。當(dāng)前的技術(shù)還很難按式(1)的定義直接做出流量單位的基準(zhǔn)器,通常采用以下間接導(dǎo)出方法:以某個(gè)穩(wěn)定的流量q向容器內(nèi)連續(xù)注入流體,準(zhǔn)確測(cè)定灌注的開(kāi)始時(shí)刻τ1和停止時(shí)刻τ2,同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定時(shí)間間隔Δτ=τ2- τ1內(nèi)容器積存的流體數(shù)量Q,由此即可計(jì)算出平均體積流量。
實(shí)現(xiàn)這一操作過(guò)程的一整套系統(tǒng),就是復(fù)現(xiàn)流量單位量值的基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn),它們直接來(lái)源于質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間、溫度和壓力基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)。這套系統(tǒng)包括流體源(本文對(duì)象為水及其輸送設(shè)備)、穩(wěn)壓裝置(水塔或穩(wěn)壓容器)、管路系統(tǒng)(測(cè)量段及直管段)、計(jì)時(shí)器和稱(chēng)重儀器(或標(biāo)準(zhǔn)容器)以及換向器等附屬設(shè)備。該系統(tǒng)要能夠提供穩(wěn)定的、不同的流量,以保證規(guī)定的流動(dòng)狀態(tài)。
根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)量具、不同的測(cè)量方法和測(cè)量前后液體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)基本特征,液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可以分為以下幾種:靜態(tài)容積法裝置、變水頭法裝置和標(biāo)準(zhǔn)表法裝置。靜態(tài)容積法和變水頭法都是容積法,只是前者壓頭恒定,后者壓頭一直變小;前者將水塔和標(biāo)準(zhǔn)容器分開(kāi),后者二者合一;前者為靜態(tài)讀數(shù),后者為動(dòng)態(tài)讀數(shù)。二者的共同缺點(diǎn)是設(shè)備龐大,特別對(duì)特大口徑的流量計(jì)檢定時(shí),標(biāo)準(zhǔn)容器的容積需幾百立方米,而且一次檢定時(shí)間不能太長(zhǎng),否則容器隨檢定時(shí)間的加長(zhǎng)還需增大。標(biāo)準(zhǔn)表法克服了上述缺點(diǎn):在同樣流量下,標(biāo)準(zhǔn)表法所用容器的體積要小得多;而且檢定時(shí)間可以任意加長(zhǎng),而對(duì)于分辨率不高的被檢流量計(jì)來(lái)說(shuō),加長(zhǎng)檢定時(shí)間是減小檢定誤差的有效方法。綜上所述,作者認(rèn)為采用標(biāo)準(zhǔn)表法檢定特大口徑電磁流量計(jì)是較為合理的選擇。
3 標(biāo)準(zhǔn)表法檢定方案
31 標(biāo)準(zhǔn)表法檢定方案及其驗(yàn)證
為了滿(mǎn)足特大口徑電磁流量計(jì)的檢定要求,本方案的標(biāo)準(zhǔn)裝置采用了恒水頭式結(jié)構(gòu)。該裝置是在原有的國(guó)家水大流量計(jì)量站的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造而成,其原理見(jiàn)圖1。該裝置的主要性能參數(shù):
(1)裝置的水塔(溢流穩(wěn)壓)水頭高274m,容積為1 000m3,能滿(mǎn)足特大口徑儀表的檢定要求,*大流量為16 000m3/h;
(2)水池容量為2 000m3;
(3)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)采用DN1 000mm的智能型E-mag電磁流量計(jì);標(biāo)準(zhǔn)管段DN1 000mm的總長(zhǎng)為49m,安裝被檢流量計(jì)的試驗(yàn)管段總長(zhǎng)為32m,滿(mǎn)足電磁流量計(jì)直管段要求;
(4)裝置設(shè)計(jì)系統(tǒng)精確度為015%;
(5)電控系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集、處理、檢定結(jié)果打印等通過(guò)工控機(jī)實(shí)現(xiàn);
(6)用計(jì)算機(jī)計(jì)量軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表的檢定和誤差進(jìn)行修正。
由上述可知,本方案應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)是DN1 000的E-mag電磁流量計(jì),而被檢的流量計(jì)則為口徑大于1 600mm的特大口徑流量計(jì),即用小口徑標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)來(lái)檢定大口徑流量計(jì)。
為了證明其可行性,特對(duì)此方案作了驗(yàn)證評(píng)估。驗(yàn)證評(píng)估的方法是將DN100的電磁流量計(jì)作為被檢儀表,分別用DN50的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)對(duì)它作變口徑標(biāo)準(zhǔn)表法檢定,再對(duì)同一臺(tái)表用靜態(tài)容積法進(jìn)行檢定。前者的檢定結(jié)果基本誤差為±020%,后者的檢定結(jié)果基本誤差為±024%,校驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
在變口徑驗(yàn)證試驗(yàn)的同時(shí),還對(duì)同一口徑流量計(jì)作了不同檢定方法的驗(yàn)證評(píng)估,分別對(duì)DN50、DN80、DN100電磁流量計(jì)作了靜態(tài)容積法和標(biāo)準(zhǔn)表法的檢定,結(jié)果也是令人滿(mǎn)意的。從表1可見(jiàn),相對(duì)偏差均在001%~004%范圍內(nèi),因此可以認(rèn)為用小口徑標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)對(duì)大口徑流量計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)表法檢定是可行的,并可推廣到特大口徑流量計(jì)的檢定中去。
32 標(biāo)準(zhǔn)表的選擇和檢定
標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)應(yīng)該選用流量范圍寬、精確度高、可靠性好的流量計(jì),比較各種流量計(jì)后作者選擇了電磁流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì),其理由如下:
(1)公稱(chēng)通徑范圍大,從DN15到DN3 000;
(2)流體*高流速可達(dá)15m/s;
(3)SMART轉(zhuǎn)換器采用新穎的多頻勵(lì)磁方式,因此功耗低、零點(diǎn)穩(wěn)定、精確度高,DN15~DN600精度為±03%,DN700~DN3000精確度為05%,流量范圍可達(dá)1500∶1;
(4)轉(zhuǎn)換器采用16位微處理器,參數(shù)設(shè)定方便、編程可靠;
(5)轉(zhuǎn)換器采用表面安裝技術(shù)(SMT),具有很高的可靠性和自檢、自診斷功能;
(6)具有電流、脈沖、數(shù)字通訊、HART協(xié)議等多種輸出信號(hào),可滿(mǎn)足各種二次儀表或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的要求。
根據(jù)上述理由,作者選擇了E-mag DN1000的電磁流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì),并用靜態(tài)容積法對(duì)該儀表在不同流量下檢定了14個(gè)流量點(diǎn)。由于電磁流量計(jì)有以下特點(diǎn):在小流量時(shí)線(xiàn)性度稍差,基本誤差較大;在大流量時(shí)線(xiàn)性度較好,基本誤差較小,因此在各個(gè)檢定點(diǎn)之間不是均勻分布的。我們采用*小二乘法對(duì)14個(gè)檢定點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合,得到標(biāo)準(zhǔn)表誤差曲線(xiàn)經(jīng)驗(yàn)公式。數(shù)據(jù)表明,經(jīng)過(guò)擬合后的標(biāo)準(zhǔn)表誤差曲線(xiàn)與靜態(tài)容積法檢定的測(cè)量誤差之間的相對(duì)誤差不超過(guò)±0000 1%,可作為修正標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量誤差的依據(jù)。
33 標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的不確定度
標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)有定點(diǎn)和不定點(diǎn)兩種不同的使用方法,與此相應(yīng),評(píng)定該流量計(jì)不確定度的計(jì)算方法也有所不同。
(1)作為定點(diǎn)使用時(shí),各個(gè)檢定點(diǎn)單次測(cè)量的A類(lèi)不確定度(Er)i為:
式中:(σc)i是第i個(gè)檢定點(diǎn)的修正值的A類(lèi)不確定度;Qi是第i個(gè)檢定點(diǎn)的平均指示流量;ta是置信概率為95%的t分布系數(shù),即范圍因子,自由度為(n-1),n為各點(diǎn)檢定次數(shù)。這時(shí),標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的合成不確定度E(自由度為n-1)為:
式中:En為標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度,未指明自由度。(2)當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)作為非定點(diǎn)使用時(shí),其修正值計(jì)算公式為:
式中:(Ec)i是第i次檢定的修正值;Qi是第i次檢定時(shí)流量計(jì)指示累積流量;(Qa)i是第i次檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)裝置的累積流量。
當(dāng)使用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)修正值進(jìn)行誤差曲線(xiàn)擬合后,可以將擬合公式應(yīng)用于計(jì)量軟件中,以修正標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的固有不確定度。這時(shí),標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的實(shí)際流量Qp為:
式中:Qm為測(cè)量流量;Y為某一流量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的修正曲線(xiàn)值,一般可用3次方程表示。用*小二乘法可以求出標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)修正公式的A類(lèi)不確定度Er。這時(shí),標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的合成不確定度E(自由度為n-1)為:
式中:En為標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度,未指明自由度。
對(duì)于電磁流量計(jì),Er一般檢定(不加修正)為05%(0005),如果En