管道流量计现场校准技术在新疆水资源取用水管理中的应用

张建军 ，周 坤

（1．新疆维吾尔自治区水资源中心，新疆 乌鲁木齐 830000；2．水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心，江苏 南京 210012）

新疆水资源分布极不均匀，集中表现在降水稀少，气候干燥，蒸发强烈，广大平原区降水产流能力较弱，盆地中部存在大面积荒漠不产流区。鉴于新疆目前水资源紧缺的实际情况，为落实最严格的水资源管理制度[1]，水利部在 2012年启动了国家水资源监控能力建设项目。国家水资源监控能力建设新疆项目分 2 期建成：一期建成 232 户 510 个取用水国控监测点；二期建成 570 个取用水户 716 个取用水国控监测点。

在一期水资源信息平台的基础上，二期完善并提升了新疆水资源管理系统，实现与水利部水资源管理信息[2]的互联互通和主要水资源管理业务的在线处理，为实行最严格水资源管理制度提供技术支撑。同时实现河道外颁证取水许可水量监测覆盖率 80%、用水量监测覆盖率 50% 的目标。

目前，在水资源计量[3]、管理、统计等多方面，新疆存在监测计量设施滞后、行业发展与水资源计量、统计管理不平衡[4]、技术标准体系不健全、地方法规不完善、水资源监测内容不全面等问题。因此，如何准确地获得取水计量数据[5]，全面、准确、及时掌握取用水户用水情况，提高水资源精细化水平，对节约用水[6]、保障水资源可持续利用具有重要意义。为此，通过随机抽取，对新疆 5 个地（州、市）11 个取用水户州 21 个管道流量计进行现场校准工作。通过这 5 个地区取水户 21 个管道流量的现场比测，对比测数据进行综合分析，全面了解取水计量数据的准确性，为提高水资源管理质量提供保障。

1 校准设备与方法

1.1 实验室与现场校准方法研究

管道流量计的实验室检定/校准方法一般参照相应的计量检定规程，由获得计量授权的部门开展此方面工作，但受限于实验室检定条件有限（主要对于大管径的流量计），加上计量设施不便拆卸送检的客观问题，目前采用便携式超声波流量计作为标准器对管道计量设施进行在线校准的方法是可行且有意义的。现场校准的方法一般按照 CJ/T 364—2011《管道式电磁流量计在线校准要求》执行，超声波和其他类型的流量计可参照执行。对于计量设施的现场校准方法一般主要有 2 种：标准表法和电参数法。电参数法往往难以确定电参数测量与流量测量值之间的函数关系，加上由于设备安装时限较久，被检计量设施的出厂时的相关电参数经常无法查证，从而增加了电参数法的测量不确定性，所以目前普遍采用的是便携式超声波流量计作为标准器对管道流量计进行在线校准。

1.2 校准仪器与安装管段位置的选取

选用德国的 F601 型便携式超声波流量计作为校准标准表。性能参数为测量误差 ≤±0.50% FS，重复性 ≤0.10% FS，该设备经计量检定合格，具有监测信号稳定、灵敏度高、适用边界条件广泛、现场读取监测数据快的特点，是管道流量在线校准工作中专用设备。

标准表安装位置应选择在被校准流量计的上游或下游侧。安装管段是在被流量计所安装的管道上，选定的流场条件和管道外形尺寸都满足标准要求的一段直管。选定原则一般有：

1）应满足标准表前后直管段长度（一般建议为前 10D后 5D，D为该管道直径）。

2）应尽量选择水平管道或上升管道作为标准管段的安装位置。

3）校准断面管段无衬里。

4）无电磁和振动干扰。

5）安装位置及声束反射位置应避开管道的焊缝。

1.3 校准方法

1.3.1 现场设备检查

现场校准工作前，应对所用的设备作必要的例行检查，确保运行安全和测得数据的正确可靠。同时，观察被校准流量计，确认其处于正常工作状态，且能够有效读取其流量示值。

1.3.2 标准表安装

设备检查完成后，开始标准表的安装工作。

1）现场实测管道外径，具体方法为用标准卷尺分别在标准表 2 只换能器安装距离内等间隔测量 3～6 个管道外周长，分别用测量结果计算出管道外径，其平均值D计算如下：

式中：n为测量次数，n≥3；Di为第i点测得的管周长计算出的管道外径。

对无法测量的参数，如管道材质、衬里材料、厚度等，根据技术资料现场查明确认。优先选择不带衬里的管道作为标准表安装管段，如无法避开，衬里材质与厚度必须事前确认。

2）清理已定安装位置附近的管外壁，清理面积比标准表换能器面积约增加 1 倍，将管壁上的油漆、铁锈、污垢等清除干净，露出管道材质，打磨光滑。

3）在标准表换能器表面均匀涂以耦合剂，将标准表换能器上标志对准安装位置，使其发射面与管壁紧密接触，并用紧固件将标准表换能器稳定固定在管道上。

2 个换能器安装的相对位置有以下 2 种方式：

a．V 方式。V 方式安装传感器是最常用的方法，被称为反射法。

b．Z 方式。Z 方式安装传感器一般是在较大管径的管道上使用，被称为直接法，V 和 Z 方式具体安装示意图如图 1 所示，主要区别在下游换能器安装位置。

图1 换能器 V 和 Z 方式安装示意图

4）将标准表换能器信号传输电缆连接到显示主机上。按标准表的使用手册或说明书要求将信号调试到最佳状态。

1.4 现场校准

标准表安装调试完成后，开始现场校准工作：

1）根据现场实际情况确定校准流量点，校准流量点一般 1～3 个，每个流量点校准 3 次。

2）每次校准时，同时读取并记录被校准流量计和标准表的示值。若读取的数值为瞬时值，则至少读取 20 个数值，每次读数间隔 60 s，之后在做平均值计算时允许按规则剔除读数粗大误差，以计算出的平均值作为该次测量的标准值和流量计示值。若读取的数值为累积值，则应保证大于最小读数的1 000 倍或读取至少 20 min 的累积值。

3）检测时读取的标准表和被校准流量计示值至少保留小数点后 2 位。

2 校准结果分析

2.1 分析方法

2.1.1 相对示值误差

流量点每次校准的相对示值误差Eij计算如下：

式中：qij为第i流量点第j次校准时的流量计示值（瞬时值或累积值）；qs，ij为第i流量点第j次校准时的标准表示值（瞬时值或累积值）。

2.1.2 重复性

流量计每个流量点的重复性Er，i计算如下：式中：n为第i流量点的校准次数；Ei为第i流量点的平均示值误差；取流量计所有流量点的重复性最大值作为该台流量计的重复性Er。

2.1.3 不确定度

1）不确定度分量及灵敏系数。标准表示值qs的相对标准不确定度计算如下：

式中：Ur为扩展不确定度；ur为不确定度；k为包含因子；cr（qs）为标准表灵敏系数，取值为 1。

测量管道内径d的相对标准不确定度ur（d），若管径测量误差为δ，按矩形分布考虑，计算如下：

2）重复性Er的不确定度。测量重复性灵敏系数cr（Er）为 1。平均示值误差E的相对标准不确定度计算如下：式中：E为所有流量点的平均示值误差，由于温度、压力影响相对较小，忽略其不确定度的影响。

3）合成标准不确定度及扩展不确定度。合成标准不确定度ucr计算如下：

式中：cr（qs） 为标准表灵敏系数，取值为 1；cr（Er） 为测量重复性灵敏系数，取值为 2；cr（d）测量管道内径d灵敏系数，取值为 2；为平均示值误差灵敏系数，取值为 1。

Ur计算如下：

2.2 校准结果分析

校准分析结果如表 1 所示，从表 1 对乌鲁木齐、巴州、塔城、吐鲁番、克拉玛依 5 个地区 21 个管道流量的分析结果可看出，流量计量设施运行情况总体良好，个别设备相对示值误差偏大，其中乌鲁木齐市水业集团的柴北水源地取水口流量计误差为 5.64%，乌苏市供排水公司第三水厂 1 号表误差为 5.65%，但 2 只流量计测量重复性较好，通过参数设置将校准至误差 5% 内为宜。正值误差表示规定时间内被检流量计显示的流量超过标准表实测的流量；反之，负值误差表示规定时间内被检流量计显示的流量小于标准表实测的流量。

表1 校准站点数据统计分析

根据校准数据中，不确定度分量的来源分析，由于使用的计量器具精度本身较高，因此由标准表示值和管径测量引入的不确定度分量较小。影响扩展不确定度的主要来源为各流量比测点中被检设备的重复性及平均示值误差，以吐鲁番市高昌区农村饮水安全工程管理站的城乡一体化水源地 2 号表为例，由于该计量设施测量重复性和相对示值误差均偏大，导致其扩展不确定也随之偏大，说明该设备的测量可靠度已不在合理范围内，建议进行更换。

通过此次管道流量数据及各站点现场情况分析，由于取水管道受不同环境、工况、水源水质等客观条件影响，导致取水管道内（外）部安装的流量计量设施经过长时间不间断运行，对其设施的计量精度造成不同程度影响。在确保水资源高效合理利用的前提下，应更为普及地开展现场校准工作。通过对站点校准数据误差分析，有效地筛选出各站点计量设施的优劣情况，以便后续更换或调整设备参数，达到其精度要求的合理范围。

3 问题与建议

本次进行现场校准的管道流量计为超声波或电磁流量计，计量设施安装在现场环境下，管道多为取原水，经过时间累积后，会有杂质附着在插入式传感器表面，同时，管道的锈蚀情况也会影响管道过水面积，从而对流量计算产生影响。建议按照产品特性分析，每 2 a 要至少进行 1 次在线检测工作，以验证其数据的准确性，对于相对误差偏大的计量设施应及时进行调整或更换。

3.1 重复建设

主要表现为同一管道计量站点，存在自治区国控项目与各地区、县水利部门或兵团在部分地方重复建设计量设施，造成计量数据不一致的现象，建议比较各家计量设备的准确优劣，通过数据接入的方式加以整合，共享监测数据。

3.2 数据一致性差

主要表现为中心站数据库、现地 RTU 和传感器仪表数据不一致的情况，平台软件计算公式及入库数据需要进行复核。建议平台部分的运维单位和建设单位协调，排查问题原因，保证数据的一致性，计算的准确性。

3.3 其他典型问题

除了重复建设和数据一致性的问题，还有一些较典型的问题，具体如下：

1）管道停用但流量计仍在计量，属于流量计设置问题或故障，建议运维单位尽快对设备问题进行排查，保证中心站接收所到的数据真实有效。

2）国控监测站点所安装的计量设施与取用水户自行安装的计量设施数据不一致，差异较大。建议通过具有资质的第三方进行现场校准，统一计量数据。

3）管道不满管计量。管道流量计的测流是建立在有压满管的基础上，不满管情况下，流量计的监测数值不能作为计量依据，若取水管道长期存在不满管的情况，建议变更测流管道、安装位置或测流方法。

3.4 产品选型

目前比较常见的管道型在线计量设施一般有电磁流量计、超声波流量计和远传水表。从计量设施本身的产品特性上来看，在同等的安装条件下，计量设施的测量精度以电磁流量计最优，其次是超声波流量计，远传水表略差。而结合管径和造价而言，超声波流量计性价比最高，适用范围也较广；电磁流量计造价受管径影响较大，一般用于中小型管道和测量精度要求高的场合；远传水表价格低廉，适用于小型管道的流量测量。

3.5 特殊情况

针对本项目现场校准过程中，除实测数据的21 个管道流量，还有一部分设备现场无法对实测数据进行校准，针对不同情况提供如下建议：

1）直管段长度不够造成无法安装标准表的，取水户应在今后的新建取水设施上，吸取经验，更加规范，避免此类情况再发生。对于已经安装的，有条件的可以更换安装位置，或者通过开挖检修井（口）等，预留足够的直管段以供今后的定期检测；确实因为现场条件无法进行在线检测的，只能考虑就近送至当地计量部门进行实验室检定。

2）对于设备损坏的计量设施，应及时检查原因，对无法修复的设备应及时更换新的计量设施，保证其取水计量的长期稳定监测。

3）对于因取水户停产、设备停用或水泵等原因暂无法校准的计量设施，管理部门应及时跟进取水户运行情况，在复工复产后应及时安排在线校准工作。

4）水行政主管部门可通过制定地方标准或管理条例，规范取水户取水计量设施的安装、使用和维护等环节，保证取水设施的准确计量。

4 结语

通过本次在线校准工作，能够客观、真实反映新疆地区部分取用水国控点的监测计量现状，后续运维过程中应分类梳理存在问题，对症解决，同时还需要举一反三，排查全范围内的水资源监测计量现状；此外还需要对无法实测数据的情况开展相关计量溯源研究工作，保证在各种不同工况条件下的数据质量。通过对此类工作的开展，既能够有效提升水资源监测数据质量，也能为新疆的经济社会发展提供技术支撑。

党的十九届五中全会明确要求建立水资源刚性约束制度，取水口取水监测计量是取用水管理不可或缺的手段，是发挥水资源刚性约束作用的重要基础性工作。新疆是严重缺水地区，有效利用水资源，合理管控水资源是一项长期的工作，因此本研究与实践应用具有长期、广泛的推广价值。