摘 要： 為更好地將電磁流量計(jì)在線檢定方法運(yùn)用于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)操作之中，根據(jù)《計(jì)量法》和《管道式電磁流量計(jì)在線校準(zhǔn)要求》（以下簡(jiǎn)稱《要求》），對(duì)不同工況下的十幾臺(tái)大口徑電磁流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和校驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)與出廠標(biāo)定的原始數(shù)據(jù)能夠很好地吻合。在對(duì)在線檢測(cè)過(guò)程中相關(guān)細(xì)節(jié)進(jìn)行總結(jié)后，證實(shí)了電磁流量計(jì)的在線檢定是切實(shí)可行和有效的，能夠廣泛地運(yùn)用于大口徑流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)檢定。
關(guān)鍵字： 流量測(cè)量 在線檢定 電磁流量計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)表法 電參數(shù)法

0 引言

流量是給排水和水處理等相關(guān)行業(yè)常用的過(guò)程控制和計(jì)量的重要參數(shù)和生產(chǎn)指標(biāo)，它直接關(guān)系到水處理的進(jìn)程與質(zhì)量。電磁流量計(jì)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳感器內(nèi)沒(méi)有可動(dòng)部件，沒(méi)有節(jié)流裝置，不存在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)和磨損，不會(huì)產(chǎn)生壓力損失，并因其精度高、線性好、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在給排水、污水處理、引水工程等項(xiàng)目中得到廣泛的應(yīng)用，用以進(jìn)行內(nèi)部計(jì)量、過(guò)程控制和對(duì)外貿(mào)易結(jié)算。電磁流量計(jì)作為一種普遍的計(jì)量器具，按照《計(jì)量法》的規(guī)定，必須在一定的周期內(nèi)對(duì)該器具進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)。同時(shí)，使用方為保證流量計(jì)使用的可靠性，也對(duì)電磁流量計(jì)生產(chǎn)廠家提出了這個(gè)要求。

然而，應(yīng)用于水務(wù)行業(yè)中的電磁流量計(jì)口徑較大，安裝環(huán)境差等因素導(dǎo)致流量計(jì)很難甚至不允許拆卸之后送到標(biāo)定裝置中進(jìn)行復(fù)核。另外，由于此類流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)工作條件與實(shí)驗(yàn)室校驗(yàn)設(shè)置條件存在偏異，因此，電磁流量計(jì)，尤其是大口徑的電磁流量在使用一個(gè)階段之后，測(cè)量也許會(huì)存在一定的不確定性偏差。在線大口徑流量計(jì)不停水的校準(zhǔn)和檢定問(wèn)題亟待解決。

1 電磁流量計(jì)的在線檢定方法

目前，普遍應(yīng)用的電磁流量計(jì)在線檢定手段主要有標(biāo)準(zhǔn)表法和電參數(shù)法。電參數(shù)法是根據(jù)管道式電磁流量計(jì)的測(cè)量原理，對(duì)影響在線工作的管道式電磁流量計(jì)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢定（如勵(lì)磁線圈對(duì)地絕緣電阻、電極對(duì)地（接液）電阻、勵(lì)磁線圈電阻和流量計(jì)電纜線電阻），測(cè)量控制相關(guān)參數(shù)在一定允許的變化范圍內(nèi)與出廠檢定的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較溯源，使其保持在出廠時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度以內(nèi)，以滿足使用要求。標(biāo)準(zhǔn)表法是以標(biāo)準(zhǔn)表為標(biāo)準(zhǔn)器具，使流體在相同時(shí)間間隔內(nèi)，同時(shí)連續(xù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表和被校表，比較兩者的輸出流量值的偏差，從而確定被校流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)表所示的流量值的關(guān)系。

對(duì)于以上兩種方法孰優(yōu)孰劣，不能斷然判明，但根據(jù)上海貝菲自動(dòng)化儀表有限公司應(yīng)用以上兩種方法的在線檢定過(guò)程均能反映測(cè)量性能。

2 電參數(shù)法

眾所周知，電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來(lái)測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。法拉第電磁感應(yīng)公式如式（1）所示：

E=K×B×V×D（1）

式中：B為流量計(jì)勵(lì)磁線圈感應(yīng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度；V為被測(cè)電液導(dǎo)體的流速；D為管徑；K為儀表系數(shù)。宏觀上把導(dǎo)電液體看成導(dǎo)體。

由式（1）可知管徑D與系數(shù)K都為固定參數(shù)。在一定流速下，只要保證參數(shù)B的穩(wěn)定，那么感應(yīng)電動(dòng)E也隨之穩(wěn)定，即在進(jìn)行電參數(shù)法在線檢定時(shí)，若參數(shù)B保持在出廠校準(zhǔn)時(shí)的允許范圍內(nèi)時(shí)，就可證明該流量計(jì)目前所測(cè)流量的準(zhǔn)確度仍與出廠時(shí)保持一致［3］。

影響電磁感應(yīng)強(qiáng)度B的因素，就流量計(jì)本身而言，應(yīng)檢驗(yàn)勵(lì)磁線圈電阻（扣除溫度變化引起的差值）、勵(lì)磁線圈的絕緣以及勵(lì)磁電流的幅值。另外，我們需檢查電極信號(hào)電路絕緣性能是否良好，證明原本微弱的流量信號(hào)有沒(méi)有額外大的損失；測(cè)量電極的接液電阻，評(píng)估電極表面是否被過(guò)度氧化、腐蝕、結(jié)垢或損傷而影響正常測(cè)量；檢查接地電阻等情況并排除雜亂信號(hào)的干擾。同時(shí)，使用高精度的模擬信號(hào)器檢測(cè)轉(zhuǎn)換器的工作狀況。

上海貝菲自動(dòng)化儀表有限公司于2009年8月與昆山市某自來(lái)水廠簽定供貨合同，其中大口徑表包括DN2000mm流量計(jì)3臺(tái)、DN1000mm流量計(jì)4臺(tái)。按標(biāo)書(shū)要求，出廠數(shù)據(jù)必須確保當(dāng)流速為0.3m/s時(shí)達(dá)到±0.25%示值誤差。在協(xié)助昆該自來(lái)水廠進(jìn)行調(diào)試，流量計(jì)正常運(yùn)行投入生產(chǎn)之后，于2010年8月份，根據(jù)《管道式電磁流量計(jì)在線校準(zhǔn)要求》［1］對(duì)每臺(tái)表的原始數(shù)據(jù)一一記錄，一年之后，我們?cè)俅蝸?lái)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行在線檢定。

2.1 電參數(shù)法的檢定過(guò)程

在檢定過(guò)程中，首先，觀察轉(zhuǎn)換器內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置是否有被改動(dòng)過(guò)，要求轉(zhuǎn)換器的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置與電磁流量計(jì)出廠銘牌上的一致；然后觀察兩根電纜（勵(lì)磁電纜、信號(hào)電纜）是否有損傷，是否保持原樣?！豆艿朗诫姶帕髁坑?jì)在線校準(zhǔn)要求》指出需保證被測(cè)液體電導(dǎo)率符合流速在0.3～10m/s的流動(dòng)狀態(tài)下，被測(cè)管道中應(yīng)保持滿管，無(wú)氣泡聚集。

在對(duì)該自來(lái)水廠進(jìn)行檢定觀察時(shí)，全部的流量計(jì)都在穩(wěn)定有序地運(yùn)行，無(wú)數(shù)據(jù)波動(dòng)等狀況出現(xiàn)。因此，可以判定以上條件均符合，并在此基礎(chǔ)上對(duì)流量計(jì)的一系列參數(shù)作了檢測(cè)。

由于在第二次來(lái)到自來(lái)水廠時(shí)，該流量計(jì)處于運(yùn)行狀態(tài)，因此，為不妨礙水廠的正常工作，我們對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)只進(jìn)行了兩次數(shù)據(jù)測(cè)量。

2.1.1 轉(zhuǎn)換器的校準(zhǔn)

①瞬時(shí)流量的示值誤差及重復(fù)性檢定

先關(guān)閉轉(zhuǎn)換器的供電電源，并將轉(zhuǎn)換器連接傳感器的電纜拆卸下來(lái)，使用自主開(kāi)發(fā)的模擬信號(hào)發(fā)生器（精度為±0.1%），為轉(zhuǎn)換器提供模擬信號(hào)，代替實(shí)際使用過(guò)程中電磁流量計(jì)傳感器提供的流量信號(hào)。然后通電預(yù)熱片刻之后，分別選定高、中、低3個(gè)流速點(diǎn)，且采用上行程和下行程的方式對(duì)每個(gè)點(diǎn)都測(cè)試3遍，對(duì)轉(zhuǎn)換器的示值做出記錄，并將所記錄的值按照要求所記錄的公式進(jìn)行處理，最后根據(jù)計(jì)算得到示值誤差和重復(fù)性［2－5］。

②轉(zhuǎn)換器零點(diǎn)檢查與校準(zhǔn)

將電磁流量計(jì)模擬信號(hào)發(fā)生器的開(kāi)關(guān)撥到“0”位置，用模擬信號(hào)發(fā)生器的零位進(jìn)行調(diào)零，直到轉(zhuǎn)換器瞬時(shí)流量顯示為“0.000m3/h”。

③電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移的檢查

斷開(kāi)轉(zhuǎn)換器與傳感器之間勵(lì)磁線圈的連接電纜（貝菲產(chǎn)品的勵(lì)磁線圈連接電纜編號(hào)為“7、8”電纜線），保持信號(hào)線“1、2、3”的聯(lián)通，經(jīng)過(guò)十幾分鐘左右的預(yù)熱（當(dāng)然，在這預(yù)熱過(guò)程中可對(duì)其他表進(jìn)行其他項(xiàng)目的檢查），恢復(fù)轉(zhuǎn)換器的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，每5min記錄一次轉(zhuǎn)換器讀數(shù)情況，持續(xù)3次并記錄轉(zhuǎn)換器每次的顯示值。取絕對(duì)值最大的值與電磁流量計(jì)量程相比較，得到零點(diǎn)漂移值。

④轉(zhuǎn)換器輸出頻率及輸出電流校準(zhǔn)

以電磁流量計(jì)模擬信號(hào)發(fā)生器為校準(zhǔn)信號(hào)源，采集3個(gè)流速測(cè)量點(diǎn)的頻率計(jì)電流輸出信號(hào)，按照公式計(jì)算兩者的示值誤差。相關(guān)公式請(qǐng)參閱文獻(xiàn)［1］。

應(yīng)該注意的是，轉(zhuǎn)換器輸出頻率、電流的最大允許示值誤差應(yīng)不超過(guò)出廠準(zhǔn)確度的要求。

2.1.2 傳感器的校準(zhǔn)

①勵(lì)磁線圈電阻的測(cè)量

以數(shù)字萬(wàn)用表為測(cè)量工具，兩個(gè)表筆分別搭在勵(lì)磁線圈的兩個(gè)端子上，測(cè)量勵(lì)磁線圈的電阻值，將測(cè)量結(jié)果與以往的記錄值進(jìn)行比對(duì)。

②勵(lì)磁線圈對(duì)地絕緣電阻的測(cè)量

以500V兆歐表為測(cè)量工具，將兆歐表的兩端分別夾在勵(lì)磁線圈一端和接地線上，操作兆歐表待顯示穩(wěn)定后讀數(shù)，要求絕緣電阻大于100MΩ。

③傳感器接地電阻的測(cè)量

用數(shù)字式萬(wàn)用表測(cè)量信號(hào)屏蔽線和接地線之間的電阻，要求對(duì)地電阻小于10Ω。

④電極對(duì)地（接液）電阻值的測(cè)量

以指針式萬(wàn)用表為測(cè)量工具（測(cè)量時(shí)會(huì)出現(xiàn)短暫的充放電現(xiàn)象），讀取指針偏轉(zhuǎn)最大值時(shí)的值作為記錄值。電極的接地電阻值不能有較大的偏差率，否則視為不可控。

應(yīng)注意的是，測(cè)量應(yīng)該以第一次測(cè)量的最大值為準(zhǔn)，若要再次測(cè)量，應(yīng)消除電極上可能出現(xiàn)的極化現(xiàn)象，避免造成對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響；同時(shí)，要求測(cè)量偏差率≤20%［4］。

電磁流量計(jì)出廠時(shí)以及經(jīng)過(guò)一年的使用之后，再次對(duì)同一臺(tái)電磁流量計(jì)進(jìn)行在線檢定，數(shù)據(jù)記錄及處理結(jié)果如表1、表2所示。其中，原始在線檢定數(shù)據(jù)的環(huán)境溫度為29℃、相對(duì)濕度為70%RH，最大示值誤差為0.25%；運(yùn)行一年后檢定數(shù)據(jù)的環(huán)境溫度為30℃、相對(duì)濕度為70%RH。經(jīng)第三方檢測(cè)的原始數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 原始及運(yùn)行一年后的電參數(shù)數(shù)據(jù)

表2 運(yùn)行一年后的電參數(shù)數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)換器部分）

表3 2010年8月第三方檢定數(shù)據(jù)

電磁流量計(jì)電參數(shù)在線檢定法主要用來(lái)對(duì)直接影響電磁流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度的勵(lì)磁線圈的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

通過(guò)兩次數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以很直觀地了解到這一臺(tái)電磁流量計(jì)的各項(xiàng)電參數(shù)在經(jīng)過(guò)一年的現(xiàn)場(chǎng)使用之后仍然能夠與原始數(shù)據(jù)很好地溯源。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)表法的檢定過(guò)程

標(biāo)準(zhǔn)表法是在管道上再安裝一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)表，同步記錄兩臺(tái)流量計(jì)的輸出流量。在標(biāo)準(zhǔn)表的選擇方面，目前國(guó)內(nèi)外大部分企業(yè)機(jī)構(gòu)都是選用便攜式超聲波流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行在線檢定。

以長(zhǎng)春某熱力公司中一臺(tái)DN1200mm流量計(jì)為例，對(duì)運(yùn)用便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鑒定的過(guò)程做一簡(jiǎn)單的陳述。

該熱力公司于每年10月初開(kāi)始對(duì)供暖設(shè)施進(jìn)行加壓試運(yùn)行，檢查設(shè)備是否正?？煽?。目前，我們公司有上百臺(tái)大口徑的流量計(jì)在該企業(yè)的熱力供給線上運(yùn)行，在2010年10月份試運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其中一臺(tái)DN1200mm的大口徑流量計(jì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)，提議需對(duì)該表運(yùn)行的準(zhǔn)確度進(jìn)行檢測(cè)［6－7］。使用兩臺(tái)精度為±0.5%、重復(fù)性為±0.15%的便攜式超聲波流量計(jì)對(duì)該流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查。DN1200mm的大口徑流量計(jì)第三方檢定數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可以看出，最大示值誤差為0.18%，最大重復(fù)性為0.06%。

表4 2009年11月第三方檢定數(shù)據(jù)

操作人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，首先對(duì)電磁流量計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄，發(fā)現(xiàn)流量計(jì)的顯示數(shù)據(jù)確實(shí)存在波動(dòng)。隨后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及超聲波流量計(jì)的安裝要求，對(duì)管道外壁的污垢進(jìn)行擦除，以保證超聲波流量計(jì)的可靠應(yīng)用，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)管道內(nèi)壁的襯里描述，采用“V”形安裝方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行一一設(shè)置［8－10］。

值得說(shuō)明的是，由于超聲波流量計(jì)對(duì)使用環(huán)境和安裝的要求較高，且在較寬的流速范圍之下，較難保證超聲波流量計(jì)在全流速范圍內(nèi)一直保持一個(gè)較高的精度。為此，分別選用高、低流速的兩臺(tái)超聲波流量計(jì)，分別對(duì)管道內(nèi)流體的高低流速進(jìn)行測(cè)量，這在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

經(jīng)分段檢定，超聲波流量計(jì)數(shù)據(jù)記錄如表5所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，超聲波流量計(jì)數(shù)據(jù)顯示及波動(dòng)情況與電磁流量計(jì)所反映的情況一致。

在線檢定后，發(fā)現(xiàn)流量計(jì)顯示的波動(dòng)幅度越來(lái)越小。對(duì)此，我們判斷是因?yàn)楣艿涝谀陜?nèi)首次通水及水溫差異等原因，使得管道內(nèi)存在大量氣泡，造成數(shù)據(jù)波動(dòng)。經(jīng)建議，長(zhǎng)春熱電在電磁流量計(jì)的前直管段上安裝了排氣閥，電磁流量計(jì)隨即正常工作。

表5 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄表

3 檢定注意事項(xiàng)

在檢定超聲波流量計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下事項(xiàng)。

①安裝位置

超聲波流量計(jì)安裝位置的選擇需要操作員仔細(xì)了解工況情況，包括被檢管線的材質(zhì)、管外徑、管壁厚度、管內(nèi)襯里的材質(zhì)及厚度，管內(nèi)介質(zhì)等相關(guān)量的具體信息并核實(shí)，確保測(cè)量的準(zhǔn)確度。

標(biāo)準(zhǔn)表的安裝需遠(yuǎn)離上下游的擾動(dòng)源，避免有害的漩渦等情況，但是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況中達(dá)不到安裝要求的情況是很普遍的。這就需要現(xiàn)場(chǎng)操作人員有相當(dāng)高的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，選擇正確的地點(diǎn)和方式進(jìn)行安裝，避免較大誤差的出現(xiàn)。

②“V”形安裝法

在直管段等情況允許的情況下，應(yīng)該“V”形法安裝。因?yàn)槭褂谩癡”形安裝法，超聲波流量計(jì)的兩個(gè)換能器在管道的同一側(cè)，容易實(shí)現(xiàn)兩個(gè)換能器安裝在管道的中心線上；而且同一側(cè)的管壁，外部條件幾乎一致，對(duì)因參數(shù)設(shè)置引起的誤差可以將量減小到最低。

“V”形安裝法示意圖如圖1（a）所示。而使用“Z”形安裝法雖然聲程縮短近一半，但兩側(cè)相對(duì)的安裝方法使得換能器不易在同一個(gè)管徑平面上，導(dǎo)致超聲波接收到的信號(hào)質(zhì)量下降，這會(huì)無(wú)法避免地帶來(lái)相當(dāng)大的測(cè)量誤差。“Z”形安裝法示意圖如圖1（b）所示。

③同時(shí)，我們認(rèn)為用于標(biāo)準(zhǔn)表法比對(duì)的便攜式超聲波流量計(jì)對(duì)重復(fù)性要求是第一位的。

圖1 便攜式超聲波流量計(jì)安裝示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

流量計(jì)在線檢定方法是切實(shí)可行的，雖然在線檢定方法與實(shí)驗(yàn)室水流量標(biāo)定裝置上校準(zhǔn)存在一定程度上的差異，但是也在一定程度上緩解及解決了一些大口徑流量計(jì)不能拆卸進(jìn)行標(biāo)定的難題。為了進(jìn)一步優(yōu)化管道式電磁流量計(jì)在線檢定方法，我們需要不斷總結(jié)在線檢定的經(jīng)驗(yàn)或者開(kāi)發(fā)在線檢定的專用儀器，這樣，電磁流量計(jì)的在線檢定方法會(huì)愈加的完善。

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渦輪流量計(jì)的流量計(jì)算公式：

通常情況下，渦輪流量計(jì)的流量方程可分為兩種：實(shí)用流量方程和理論流量方程。實(shí)用流量方程：qv=f/K公式1；qm=qvρ式中qv,qm分別為體積流量，m3/s，質(zhì)量流量，kg/s；f為流量計(jì)輸出信號(hào)的頻率，Hz；K為流量計(jì)的儀表系數(shù)，P/m3。
 

渦輪流量計(jì)的系數(shù)可分為二段，即線性段和非線性段。線性段約為其工作段的三分之二，其特性與傳感器結(jié)構(gòu)尺寸及流體粘性有關(guān)。在非線性段，特性受軸承摩擦力，流體粘性阻力影響較大。當(dāng)流量低于傳感器流量下限時(shí)，儀表系數(shù)隨著流量迅速變化。壓力損失與流量近似為平方關(guān)系。當(dāng)流量超過(guò)流量上限時(shí)要注意防止空穴現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)相似的TUF特性曲線的形狀是相似的，它僅在系統(tǒng)誤差水平方面有所不同。
 

渦輪流量計(jì)特性曲線由流量校驗(yàn)裝置校驗(yàn)得出，它完全不問(wèn)傳感器內(nèi)部流體機(jī)理，把傳感器作為一個(gè)黑匣子，根據(jù)輸入（流量）和輸出（頻率脈沖信號(hào)）確定其轉(zhuǎn)換系數(shù)，它便于實(shí)際應(yīng)用。但要注意，此轉(zhuǎn)換系數(shù)（儀表系數(shù)）是有條件的，其校驗(yàn)條件是參考條件，如果使用時(shí)偏離此條件系數(shù)將發(fā)生變化，變化的情況視傳感器類型，管道安裝條件和流體物性參數(shù)的情況而定。
　　
而渦輪流量計(jì)的理論流量方程可以根據(jù)動(dòng)量矩得出葉輪的運(yùn)動(dòng)方程。