超声流量计在取水计量中的应用

陈风华 王 硕 伍 莉 张泽宏

(重庆市计量质量检测研究院，重庆 401123)



超声流量计在取水计量中的应用

陈风华 王 硕 伍 莉 张泽宏

(重庆市计量质量检测研究院，重庆 401123)

介绍了以便携式超声流量计为主标准的取水计量系统的现场检测方法，并对检测结果的测量不确定度进行了评定。

超声流量计；取水计量；不确定度

0 引言

水资源的计量目前虽未纳入贸易结算范畴，但它为一种重要的能源资源，属于政府监管范畴。我国法律法规已强制规定，取水单位或个人必须安装合乎规范的取水计量系统(取水计量设施)，保证计量系统的正常运行并按照取水计量系统的计量结果按期缴纳水资源费。取水计量系统的检测已带有强制性。因取水计量系统作为一个整体的特殊性(流量计口径大不易切卸，生产连续性不能切卸)，使得取水计量系统的流量计实验室检定异常困难甚至无法实现，必须寻找现场检测的方法。

1 检测方案设计

现场检测首先要求主标准器可携带至检测现场。由于现场条件的复杂性，有的可能安装有专门的检测管道，可将标准器安装在管道上进行检测；但绝大多数是没有专门的检测管道的，且管道也不便于断流。因此，设计的检测方法最好是能直接在流量计的使用管道上并在不破管、不断流的情况下进行检测，选择的主标准器也必须能在不破管、不断流的情况下使用。基于这样的理念，设想以便携式超声流量计为主标准器开展取水计量系统的现场检测。

目前，取水计量系统安装的流量计多为电磁流量计、超声流量计等，安装管道一般为碳钢或不锈钢管道且一般有较长的直管道，具备使用便携式超声流量计检测的条件。最终，确定了以便携式超声流量计为(以下简称超声流量计)主标准器的取水计量系统现场检测方法。采用测厚仪测量出管道壁厚，利用钢卷尺等测量出管道外径，从而计算出管道内径及管道截面积。超声流量计根据管道内径、安装方式、介质等参数给出传感器安装尺寸，准确测量出管道内介质的流速，从而得到流量。比较超声流量计显示的流量及取水计量系统中流量计显示的流量，即可得到取水计量系统的示值误差。

因为取水计量系统检测的是包括流量计及安装管道的整个系统的误差，且现场受环境影响大，故取水计量系统的计量误差远远大于流量计在实验室检测的误差。文章根据对重庆市现有部分取水计量系统进行试验的结果并参考重庆市地方标准指标[1]，将取水计量系统最大允许误差确定为±5%。通过不确定度评定，准确度优于0.5级的超声流量计检测最大允许误差±5%的取水计量系统，其结果是比较可靠的。

2 以超声流量计为主标准现场检测取水计量系统

用超声流量计检测取水计量系统最重要的是要确定管道外径和壁厚，进而确定超声流量计传感器的安装尺寸和安装位置。为提高低流量测量的准确度，如果条件允许，可切断流量计上下游流量，待管道内流量为零时，静态置零。

2.1 确定管道外径

(1)

式中：φimax为各点管道外径中的最大值；φimin为各点管道外径中的最小值。

图1 确定管道外径和管道壁厚示意图

2.2 确定管道壁厚

(2)

2.3 确定超声流量计传感器安装尺寸和安装位置

根据管道外径、壁厚、超声流量计使用说明书等确定传感器安装方式。

使超声流量计处于正常工作状态，输入管道外径、管道壁厚、材质等各种参数，从而获得传感器安装尺寸。

根据超声流量计传感器安装方式及安装尺寸用钢卷尺确定安装位置。超声流量计传感器安装点应保证在2.1选择的L1到Ln之间。

2.4 示值误差计算及确定

在取水计量系统现场流量点上进行试验，至少试验3次。根据误差理论[2]计算相对示值误差：

(3)

式中：Ei为第i次试验相对示值误差，%；Vi为第i次试验取水计量系统测得的累积流量值，m3；Vsi为第i次试验超声流量计测得的累积流量值，m3。

(4)

选择与第一次安装方向相互垂直的另一方向重复试验。若两次试验示值误差之差≤1%，则取两者的平均值为取水计量系统的示值误差；若两次试验示值误差之差>1%，则重新进行试验。

3 用超声流量计检测取水计量系统的不确定度分析

3.1 数学模型

超声流量计测得的累积流量值按下式计算：

(5)

式中：Vs为超声流量计显示的累积流量值，m3；v为超声流量计测得的平均流速，m/s；φ为管道外经，m；t 为管道壁厚，m；t为测量时间，s。

3.2 测量结果的合成标准不确定度评定

依据式(5)，按照不确定度传播律[3]超声流量计测得的累积流量值的合成标准不确定度评定公式为(不考虑p 取值引入的不确定度)：

(6)

相对不确定度形式即为：

(7)

取管道直径典型值为600mm，壁厚典型值为15mm，则ur(φ)灵敏系数为2.1，ur(t )灵敏系数为-0.11，ur(v)和ur(t)灵敏系数为1。

3.3 各输入量的标准不确定度评定

1)超声流量计给出的平均流速的标准不确定度

配置的超声流量计准确度等级为0.5级，取包含因子k=2，则：

因现场检测中，介质等使用条件达不到实验室检定条件，故增加考虑流量不稳、介质等条件带来的不确定度。由于实际检测中是将管道外径、壁厚等参数输入超声流量计后直接读取超声流量计显示的累积流量值，故设计通过试验超声流量计显示的累积水量值的重复性的方式估算流量不稳、介质中含空气等因素引入的标准不确定度。超声流量计重复性试验数据如表1所示。

表1 超声流量计重复性试验数据 m3

由贝塞尔公式(相对量形式)，计算：

单次测量引入的标准不确定度为：

ur(s)=0.47%

超声流量计流速测量带来的标准不确定度为：

2)管径测量引入的标准不确定度

用分度值为1.0mm的钢卷尺测量管周长得到管径。取管径为600mm，则：

由管径测量方法得管径圆度引入的不确定度为：

管道外径测量引入的标准不确定度为：

3)管道壁厚测量引入的标准不确定度

用超声波测厚仪测量管道壁厚。超声波测厚仪的分辨力取0.1mm，取壁厚典型尺寸15mm，则：

由管道壁厚测量方法得管道壁厚引入的不确定度为：

管道壁厚测量引入的标准不确定度为：

4)时间测量引入的标准不确定度

用分辨力为0.01s的秒表计算测量时间，人工启停误差为10ms，取测量时间为1min，则时间测量引入的标准不确定度为：

5)合成标准不确定度为：

ur(Vs)=0.81%

6)取k=2，则扩展不确定度为：

Ur=1.7%

根据测量仪器示值误差符合性评定规定[4]，按3倍左右关系，测量最大允许误差为±5%的计量仪器较为可靠。

4 结语

文章提出了采用以便携式超声流量计为主标准的检测方法对取水计量系统进行现场检测，给出了试验方法，并对不确定度进行了评定。通过分析，认为可以采用准确度等级优于0.5级的便携式超声流量计对最大允许误差为±5%的取水计量系统进行检测。

[1] DB50/319-2009污水处理终端排放计量系统现场校准方法

[2] 林宗虎，等.计量测试技术手册.第6卷力学(三).中国计量出版社，1996

[3] JJF 1059.1—2012测量不确定度评定与表示

[4] JJF 1094—2002测量仪器特性评定

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.3.24