一种串并联耦合式多工位水表检定装置设计

张圆明，司徒琛，滕 藤，陈虹坤

（广州能源检测研究院，广州 511447）

水表是在测量条件下用于连续测量、记录和显示流经测量传感器的水体积的仪表。 进出用水单位的水表是供用水双方贸易结算的计量器具，其计量准确度是衡量水表质量优劣的关键指标。 水表的检定工作是检查水表计量准确性是否合格的基本手段，包括4 个检定项目，即外观、标志和封印，电子装置功能，密封性以及示值误差[1-4]。 其中示值误差检定项目是工作量最大和耗时最长的检定项目，主要采用比较法开展，比较流过水表的累计流量与通过计量标准器的体积量，确定水表的准确度。 经测算和实际检定验证，在传统人工读数水表检定装置上DN（15-25）民用水表示值误差检定项目的测量时长在23.5～43 分钟之间（包括装表和流量调节时间）。 随着经济社会的不断发展，法定计量检定机构的水表送检量日益增加，与其检定能力之间的矛盾日益突出，如何提高其检定效率尤其是减小示值误差检定项目时长成为亟需解决的问题。

1 现有检定装置存在的问题

目前，国内大多数法定计量检定机构的水表检定装置还未实现全自动化，主要以手动方式或半自动方式开展检定，检定过程中被检水表读数大多无法自动采集，需要人工读数、记录、计算，原始记录、证书容易出错，检定过程耗时长，检定能力不足，人力成本高[5]。

提高水表检定装置的检定效率，主要有两条途径，一是提高单台水表的检定效率，减少检定时长，主要依靠自动采集、提升检定信号分辨力的方式来实现[6-10]；二是增加同时检定的水表个数，即单台表的检定时长虽然未减少，但是每批次被检水表量增加。 第一种途径国内外已经有较多研究，主要采用图像识别或者借助各类传感器来实现水表的自动读数，部分自动检测方式已成熟并投入市场化应用[6-10]；第二种途径目前主要采用的方式为水表串联检定，本文将在此基础上进一步深入研究。

水表示值误差检定方法包括启停法、换向法、流量时间法。一般检定最小流量Q1、分界流量Q2、常用流量Q3三个流量点，比值Q2/Q1为1.6，Q3/Q1≥40[1]。

当采用启停法检定水表时，检定用水量应符合的规定，如表1 所示。 当采用其它方法检定水表时，检定用水量应确保示值误差测量结果的不确定度不大于启停法的不确定度[1]。

表1 启停法检定用水量的规定Tab.1 Provisions on water usage of verification by start-stop method

一般情况下，在常用流量Q3、分界流量Q2、最小流量Q1三个流量点检定时，检定标度分格或检定信号分辨力是相同的；因常用流量比分界流量和最小流量大20 倍以上， 分界流量和最小流量检定点的检定时间比常用流量点的检定时间高20 倍以上（在保证检定时长大于1 min 的前提下）。因此，要提高水表检定效率，减少分界流量点和最小流量点的检定时间尤为关键、效果也更显著。

为提高检定效率，目前国内法定计量检定机构大多采用串联式水表检定装置，即多个相同型号规格的被测水表串联安装在装置测量段上（确保水表之间无明显的相互影响）， 检定示值误差时水依次通过各被测水表和计量标准器，通过比较检定时段内各水表的体积示值和标准器的实际体积得到被测水表的示值误差。 通过串联被测表，虽然单台表的名义检定时间未减少， 但因同步检定多台水表，每台表各流量点的实际折算检定时间都大幅减少。一般而言，串联水表的数量在2～10 台之间，因场地空间以及检定装置循环水泵扬程的限制，串联水表数量不会超过10 台。 为了进一步提高水表检定的效率，现提出一种串并联耦合式多工位水表检定方法及装置，在常用流量检定点采用串联式检定方式，在分界流量点和最小流量点，采用并联式检定方式。

2 新型检定装置的设计

设计了一种串并联耦合式多工位水表检定装置，使用高精度电子秤、标准表作为主标准器自动采集流经水表的实际体积，两类标准器准确度等级达0.2 级或扩展不确定度（k=2）优于被测水表最大允许误差绝对值的1/5； 可串并联耦合同时检定多台水表，采用换向法（计量标准器采用电子秤）、流量时间法（计量标准器采用标准表）进行检定。 一次可同时检定5～40 台同规格水表，检定工作科学、准确、高效。

检定装置结构如图1 所示， 主要由供水系统（水箱、水泵、稳压容器等），管道系统（工艺管道、测量段、夹表器等），计量标准器（标准表（瞬时流量指示器）、工作量器（电子秤）及换向器等），测量附属设备（密度计、水温水压测量仪表等）及测量控制系统组成。检定装置有N 路检测通道，即N 个测量段，1≤N≤4；每个测量段串联有n 台水表，1≤n≤10，大大提高了每批次水表同步检定的数量，各检定机构可根据自身实际情况选择N 和n 的具体数值。 可串并联耦合同时检定多台相同规格型号的水表，即检定装置测量段有多路检定通道，每个通道串联多台被检水表，每个通道的水表数相同使得各通道的阻力损失基本一致；测控软件同时接收电子秤和各通道标准表的采集信号，计算出流经被测水表的实际体积；根据各通道每个被检表的信号或人工读数得到流经水表的体积示值，比较两个体积值计算出各被检水表的示值误差。 标准表还可作为瞬时流量指示器实时显示水流量、为测控软件评判流量是否达到检定点流量提供依据。

图1 串并联耦合式多工位水表检定装置结构图（1≤N≤4，1≤n≤10）Fig.1 Structure diagram of series-parallel coupled multi-station water meter verification device（1≤N≤4，1≤n≤10）

在进行常用流量点Q3的检定时，因循环水泵流量限制，无法同时满足各通道都达到水表的常用流量，因此通过进水阀门的控制对各通道的水表依次进行检定， 直至完成全部通道常用流量点的检定；此外水表常用流量点检定相对分界流量点和最小流量点检定用时少，各通道水表同时检定的意义也不大。 对各通道水表常用流量点检定时，计量标准器可采用电子秤，采用换向法进行水表检定；如果被测表有检定信号输出并可接收、转化成流经水表的体积示值，则计量标准器也可采用标准表，采用流量时间法进行水表检定。

在进行分界流量点Q2和最小流量点Q1的检定时，因2 个流量只有常用流量的几十分之一，循环水泵可同时满足各通道的水流量供应要求，结合现代流量调节控制技术的进步，可快速、准确调节各通道水流量同时达到检定点流量值并保持稳定，即分界流量点检定时各通道流量值稳定在Q2～1.1Q2、最小流量点检定时各通道流量值稳定在Q1～1.1Q1。因此，可实现同时对全部通道的水表进行分界流量点（或最小流量点）的检定，各通道计量标准器采用对应通道的标准表，采用流量时间法进行水表检定。通过增加检定通道，大大减少了水表分界流量点和最小流量点的检定时间，而这2 个流量点检定时间远大于常用流量点的检定时间，因此综合来看大大提高了检定效率。

3 新型检定方法

本检定装置的典型检定方法如下：

（1）将水表安装在检定装置测量管段上。

（2） 进行第1 通道水表常用流量点的检定，计量标准器采用电子秤， 采用换向法进行水表检定，按照以下程序操作：①打开进水阀门1，关闭其它并联的进水阀门；②在水表的额定流量范围内通水，排除检定装置通道1 表内和管道内的空气；③调节第1 通道流量到常用流量点流量值（0.9Q3～Q3）并保持稳定，并使计量标准器处于工作等待状态；④水表指示装置处于运动状态，读取水表的读数，同步启动换向器，将水流引向收集容器；⑤水表流过规定的时间或检定用水量之后，再在读取水表读数时同步启动换向器将水流引开；⑥计算流经水表的体积示值，读取计量标准器的读数并计算流经水表的实际体积（收集容器内收集的水的体积就是流经水表的实际体积），比较以上2 个体积值计算得到第1通道水表在常用流量检定点的示值误差。

（3）参照流程（2）依次完成其它通道水表常用流量点的检定，直至完成全部通道常用流量点的检定。

（4） 进行全部通道水表分界流量点的检定，各通道计量标准器采用对应通道的标准表，采用流量时间法进行检定，按照以下程序操作：①打开全部通道的进水阀门；②在水表的额定流量范围内通水，排除表内和检定装置管道内的空气；③调节各通道的流量到分界流量点流量值（Q2～1.1Q2）并保持稳定，并使各通道标准表处于工作等待状态，使各通道水表的检定信号处于正常输出状态；④检定装置启动测量指令，使装置的控制系统同步接收各通道标准表信号和水表的检定信号，当无法满足同步要求时， 控制系统应测量接收各自信号对应的时间，以便将各通道测得的实际体积按两个时间差异修正到与水表读数时间一致的体积；⑤水表流过规定的检定用水量之后检定装置启动停止测量指令，使装置的控制系统停止接收标准表信号和水表的检定信号，并停止测量时间；⑥根据各通道每个被检表的信号计算流经该表的体积示值，将通道对应标准表的流量信号在各被检表的检定起始时间至检定终止时间之间积分，作为流经各被检表的实际体积，计算各水表在分界流量检定点的示值误差。

（5）进行全部通道水表最小流量点的检定，各通道计量标准器采用对应通道的标准表，采用流量时间法进行检定，检定时将各通道的流量调节到最小流量点流量值（Q1～1.1Q1）并参照程序（4）进行操作。

4 新型检定装置的优点

本新型水表检定装置具有以下的优点：

传统检定装置同时串联检定水表的数量在2～10 台之间，而本检定装置可串并联耦合同时检定多台相同规格型号的水表，即检定装置测量段有多路检定通道、每个通道串联多台被检水表，一次可同时检定5～40 台同规格水表，在常用流量检定点采用串联式检定方式，在分界流量点和最小流量点采用并联式检定方式，进一步提高了检定效率。

在进行分界流量点和最小流量点的检定时，可快速、准确调节各通道水流量同时达到检定点流量值并保持稳定，可实现同时对全部通道的水表进行分界流量点（或最小流量点）的检定。 通过增加检定通道，大大减少了水表分界流量点和最小流量点的检定时间，而这2 个流量点检定时间远大于常用流量点的检定时间，因此综合来看大大提高了检定效率。

使用高精度电子秤、标准表作为主标准器自动采集流经水表的实际体积，可采用换向法（计量标准器采用电子秤）、流量时间法（计量标准器采用标准表）进行检定，在保证检定质量的同时增加了检定的选择性和便利性。 每个通道的水表数相同使得各通道的阻力损失基本一致，标准表还可作为瞬时流量指示器实时监测水流量，保障了检定点流量快速、准确调节到位。

传统检定装置可方便、 低成本进行多通道改造，每个通道只需要增加夹表器、进水阀门、流量调节阀和0.2 级标准表1 个， 同时优化一下检定测控系统， 使测控系统可同时对多通道水表进行测量、控制。 因此本装置简单、高效、稳定、可靠、成本低、易安装，值得大力推广应用。

5 结语

综上，针对现有水表检定装置检定效率不高的问题，设计了一种串并联耦合式多工位水表检定装置。 使用高精度电子秤、标准表作为主标准器自动采集流经水表的实际体积，可采用换向法（计量标准器采用电子秤）、流量时间法（计量标准器采用标准表）进行检定；可串并联耦合同时检定多台相同规格型号的水表，即检定装置测量段有多路检定通道、每个通道串联多台被检水表，在常用流量检定点采用串联式检定方式，在分界流量点和最小流量点采用并联式检定方式。 测控软件同时接收电子秤和各通道标准表的采集信号，计算出流经被测水表的实际体积；根据各通道每个被检表的信号或人工读数得到流经水表的体积示值，比较两个体积值计算出各被检水表的示值误差。一次可同时检定5～40台同规格水表，大大提高了检定效率。