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EMFM大口徑電磁流量計的標準表法檢定方案及其驗證
EMFM大口徑電磁流量計的標準表法檢定方案及其驗證，特大口徑電磁流量計一般是指口徑大于1 600mm的流體流量儀表,它主要用于水庫引水、源水進水廠、自來水出廠、污水處理和污水排放等領域,可作為供水結算和計量儀表。隨著城市化的發展,用水量和排放量的增加,這類儀表的需求量也不斷增加。但由于其測量通徑和流量特別大(如DN1 600mm在2m/s流速時流量為14 476m3/h),因此對流量標準裝置、水泵的功率、標準容器都有一系列特殊要求,一般流量儀表實流檢定的靜態容積法和稱重法都不能滿足要求。研究一種新的有效而又節省能源的檢定方法已成為解決這類特大口徑流量計生產和發展的一個非常重要的課題。
電磁流量計精度高,一般為0·5%和0·3%;儀表測量管內無任何障礙物和可動部件,流體流經儀表無壓力損失;儀表的測量范圍寬,滿度值可在 0·5~15m/s內選定,zui大測量口徑可達到3 000mm,所以它是可普遍應用的理想的大管徑計量儀表。作者對此類儀表的實流檢定作了研究,本文就此介紹如下。
2 檢定方法比較
所謂流量,就是單位時間內流過封閉管道或明渠橫截面積的流體量;平均流量,就是在測量時間內流量的平均值。體積流量q(t)和平均流量q可表示如下:
式中:A為流體流過的橫截面面積,V(t)為通過該面上的微小面積(dA)流體的速度。當前的技術還很難按式(1)的定義直接做出流量單位的基準器,通常采用以下間接導出方法:以某個穩定的流量q向容器內連續注入流體,準確測定灌注的開始時刻τ1和停止時刻τ2,同時準確測定時間間隔Δτ=τ2- τ1內容器積存的流體數量Q,由此即可計算出平均體積流量。
實現這一操作過程的一整套系統,就是復現流量單位量值的基準和標準,它們直接來源于質量、長度、時間、溫度和壓力基準和標準。這套系統包括流體源(本文對象為水及其輸送設備)、穩壓裝置(水塔或穩壓容器)、管路系統(測量段及直管段)、計時器和稱重儀器(或標準容器)以及換向器等附屬設備。該系統要能夠提供穩定的、不同的流量,以保證規定的流動狀態。
根據不同的標準量具、不同的測量方法和測量前后液體的運動狀態基本特征,液體流量標準裝置可以分為以下幾種:靜態容積法裝置、變水頭法裝置和標準表法裝置。靜態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;前者將水塔和標準容器分開,后者二者合一;前者為靜態讀數,后者為動態讀數。二者的共同缺點是設備龐大,特別對特大口徑的流量計檢定時,標準容器的容積需幾百立方米,而且一次檢定時間不能太長,否則容器隨檢定時間的加長還需增大。標準表法克服了上述缺點:在同樣流量下,標準表法所用容器的體積要小得多;而且檢定時間可以任意加長,而對于分辨率不高的被檢流量計來說,加長檢定時間是減小檢定誤差的有效方法。綜上所述,作者認為采用標準表法檢定特大口徑電磁流量計是較為合理的選擇。
3 標準表法檢定方案
3·1 標準表法檢定方案及其驗證
為了滿足特大口徑電磁流量計的檢定要求,本方案的標準裝置采用了恒水頭式結構。該裝置是在原有的國家水大流量計量站的流量標準裝置基礎上進行技術改造而成,其原理見圖1。該裝置的主要性能參數:
(1)裝置的水塔(溢流穩壓)水頭高27·4m,容積為1 000m3,能滿足特大口徑儀表的檢定要求,zui大流量為16 000m3/h;
(2)水池容量為2 000m3;
(3)標準流量計采用DN1 000mm的智能型E-mag電磁流量計;標準管段DN1 000mm的總長為49m,安裝被檢流量計的試驗管段總長為32m,滿足電磁流量計直管段要求;
(4)裝置設計系統度為0·15%;
(5)電控系統的流量調節、數據采集、處理、檢定結果打印等通過工控機實現;
(6)用計算機計量軟件對標準表的檢定和誤差進行修正。
由上述可知,本方案應用的標準流量計是DN1 000的E-mag電磁流量計,而被檢的流量計則為口徑大于1 600mm的特大口徑流量計,即用小口徑標準流量計來檢定大口徑流量計。
為了證明其可行性,特對此方案作了驗證評估。驗證評估的方法是將DN100的電磁流量計作為被檢儀表,分別用DN50的標準流量計對它作變口徑標準表法檢定,再對同一臺表用靜態容積法進行檢定。前者的檢定結果基本誤差為±0·20%,后者的檢定結果基本誤差為±0·24%,校驗數據見表1。
在變口徑驗證試驗的同時,還對同一口徑流量計作了不同檢定方法的驗證評估,分別對DN50、DN80、DN100電磁流量計作了靜態容積法和標準表法的檢定,結果也是令人滿意的。從表1可見,相對偏差均在0·01%~0·04%范圍內,因此可以認為用小口徑標準流量計對大口徑流量計作標準表法檢定是可行的,并可推廣到特大口徑流量計的檢定中去。
3·2 標準表的選擇和檢定
標準流量計應該選用流量范圍寬、度高、可靠性好的流量計,比較各種流量計后作者選擇了電磁流量計作為標準流量計,其理由如下:
(1)公稱通徑范圍大,從DN15到DN3 000;
(2)流體zui高流速可達15m/s;
(3)SMART轉換器采用新穎的多頻勵磁方式,因此功耗低、零點穩定、度高,DN15~DN600精度為±0·3%,DN700~DN3000度為0·5%,流量范圍可達1500∶1;
(4)轉換器采用16位微處理器,參數設定方便、編程可靠;
(5)轉換器采用表面安裝技術(SMT),具有很高的可靠性和自檢、自診斷功能;
(6)具有電流、脈沖、數字通訊、HART協議等多種輸出信號,可滿足各種二次儀表或數據采集設備的要求。
根據上述理由,作者選擇了E-mag DN1000的電磁流量計作為標準流量計,并用靜態容積法對該儀表在不同流量下檢定了14個流量點。由于電磁流量計有以下特點:在小流量時線性度稍差,基本誤差較大;在大流量時線性度較好,基本誤差較小,因此在各個檢定點之間不是均勻分布的。我們采用zui小二乘法對14個檢定點的數據進行分段擬合,得到標準表誤差曲線經驗公式。數據表明,經過擬合后的標準表誤差曲線與靜態容積法檢定的測量誤差之間的相對誤差不超過±0·000 1%,可作為修正標準表測量誤差的依據。
3·3 標準流量計的不確定度
標準流量計有定點和不定點兩種不同的使用方法,與此相應,評定該流量計不確定度的計算方法也有所不同。
(1)作為定點使用時,各個檢定點單次測量的A類不確定度(Er)i為:
式中:(σc)i是第i個檢定點的修正值的A類不確定度;Qi是第i個檢定點的平均指示流量;ta是置信概率為95%的t分布系數,即范圍因子,自由度為(n-1),n為各點檢定次數。這時,標準流量計的合成不確定度E(自由度為n-1)為:
式中:En為標準裝置的不確定度,未指明自由度。(2)當標準流量計作為非定點使用時,其修正值計算公式為:
式中:(Ec)i是第i次檢定的修正值;Qi是第i次檢定時流量計指示累積流量;(Qa)i是第i次檢定時標準裝置的累積流量。
當使用計算機軟件對標準流量計修正值進行誤差曲線擬合后,可以將擬合公式應用于計量軟件中,以修正標準流量計的固有不確定度。這時,標準流量計的實際流量Qp為:
式中:Qm為測量流量;Y為某*量點對應的修正曲線值,一般可用3次方程表示。用zui小二乘法可以求出標準流量計修正公式的A類不確定度Er。這時,標準流量計的合成不確定度E(自由度為n-1)為:
式中:En為標準裝置的不確定度,未指明自由度。
對于電磁流量計,Er一般檢定(不加修正)為0·5%(0·005),如果En<0·1%時,經過修正后的標準流量計的合成不確定度相當于0·1%。
根據上述原理及系統設計,作者用DN1000的E-mag電磁流量計對DN2000電磁流量計作了校驗,表2是其中一臺的校驗數據。從表2中可以看出,該被校流量計基本誤差為0·5%,上限流量已達到20 000m3/h。在校驗中采用計算機軟件進行采樣、數據采集、曲線擬合,效果很好。