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大口径电磁流量计在线校准结果的不确定度分析

来源:作者:发表时间:2017-07-20 09:28:41

摘要:大口径在线液体流量测量方法得到越来越多的应用,在线流量测量的影响因素较多,科学分析其测量结果的不确定度对保证水能源贸易结算的准确公平、水资源的量化管理及平衡调度有着十分重要的意义。本文着重介绍了大口径电磁流量计在线校准的测量不确定度分析方法。
 
引言
 
        随着大口径流量测量逐渐成为液体能源交易的重要手段,各种大口径流量计也应运而生。电磁流量计由于其量程范围宽、无压力损失、抗干扰能力强、反应灵敏、准确度高等优越的性能,被广泛用在供水、供热行业和污水处理终端排放流量计量中,按照《计量法》的规定应对其进行定期的计量检定。但由于在线使用的大口径电磁流量计拆卸困难,无法做到在不影响正常供水情况下进行离线周期检定。针对这
一现象我院建立了一套用外夹式超声波流量计作为标准表对大口径液体流量计的在线校准装置,在保证标准表有效溯源的前提下,实现对电磁流量计的在线校准。该方法是在规定的条件下,在一定不确定度范围内通过标准表确定被校流量计的计量特性,是一种既科学有效又适应现场需要的在线校准方法,但由于现场校准的不确定度因素较多,分析不确定度因素对提高现场校准的水平及保证水资源不流失、水资源的量化管理、合理配置、平衡调度有着十分重要的意义。
 
1、在线校准的原理
        标准表法在线校准是在大口径电磁径流量计所在管道上串联一个准确度较高的外夹式超声流量计流量计作为标准表,对在线的电磁流量计和前后连接管道、介质流动状态等组成的流量测量系统的整体校准。使流体在相同的时间间隔内连续通过标准表和被校流量计,记录被检表标准表的流量值,以标准表示值作为标准值,计算被检流量计的误差。
 
        标准表超声流量计测量流量是以测量声波在流动介质中传播的时间与流量的关系为原理。通常认为声波在流体中的实际传播速度是由介质静止状态下声波的传播速度(Cf)和流体轴向平均流速(Vm)在声波传播方向上的分量组成。按图1所示,顺流和逆流传播时间与各量之间的关系是:
顺流和逆流传播时间与各量之间的关系
        式中QQ截图20170720094056.jpg为超声波在流体中顺流传播的时间;QQ截图20170720094103.jpg为超声波在流体中逆流传播的时间;L为声道长度;QQ截图20170720094112.jpg为声波在流体中传播的速度;QQ截图20170720094117.jpg为流体的轴向平均流速;QQ截图20170720094124.jpg为声道角。
通用示意图
        可利用式(1)和式(2)两式得出流体流速的表达式:
QQ截图20170720094426.jpg
        将测得的多个声道的流体流速Vi,i=1,2,.....,K;利用数学的函数关系联合起来,可得到管道平均流速的估计值QQ截图20170720094447.jpg,乘以过流面积A,即可得到体积流量;QQ截图20170720094513.jpg
 
2、电磁流置计在线校准结果的不确定度分析
 
        由于在线校准采用的方法是标准表法,且标准表串联在被检大口径电磁流量计的管道上,因此,影响校准结果的因素与标准表及其换能器安装位置、安装方式和管道参数等因素有关。以我院使用的双声道超声流量计为例,其原理題超声波在流体内顺逆两个传播方向,利用传播时间差与流体流速之间的关系得到流体流量的,原理图见图1所示。
 
        本次分析被测对象为1.0级的电磁流量计,标准表为双声道超声流量计,测量管径为600mm,管内介质为净水,水温为常温。
 
2、数学模型
QQ截图20170720100432.jpg
        式中,△为绝对示值误差;Q为在检定时间内被检流量计测得的累计流量值;Qs为在检定时间内标准流量计测得的实际累计流量值。
 
2.2不确定度来源分析
        1)被校流量计测量重复性带来的不确定度分量,其中在线校准流体状况复杂,连接管道、阀门和流体不稳定等影响因素都包含在了重复性中。
        2)由标准表带来的不确定度分量:
        a.由标准表(超声流量计)自身测量不准确带来的不确定度分量。
        b.管道内径测量引人的不确定度分量:从式(3)可以看出声道长度和管道内径有直接关系,因此管道内径测量不准确是影响流量测量的一个影响量。
        C.标准表其他影响量的分析:超声流量计安装换能器时,安装距离可由定距棒固定,因此,换能器安装位置的偏差对校准结果的影响可以忽略不计;换能器安装方式一般根据标准超声流量计对不同介质的选择是固定的,在此不考虑该影响量;液体介质中的声速与温度有关,关系式为QQ截图20170720100612.jpg其中:QQ截图20170720100616.jpg表示温度为t时的声速,QQ截图20170720100621.jpg为表格中指出的温度,QQ截图20170720100627.jpg表示温度为QQ截图20170720100621.jpg时的声速,α为温度系数。
        由于本次分析的介质为常温水,温度对标准表的影响可以忽略。在测量热水管道时应考虑温度的影响。
        综上所述,除被测表重复性和标准表自身带来的不确定度,其它影响量还有1个。
 
        数学模型可以表示为:QQ截图20170720100810.jpg
 
        式中,QQ截图20170720100818.jpg为管道内径测量不准对测量结果的影响。
 
2.3、方差和灵敏系数
        根据误差传播定律,由式:(5)得
wecvv5未标题-4.gif
 
2.4、各不确定度分量
        以下不确定度分量中,测量重复性引人的不确定度采用A类评定,其余分量采用了B类评定。
        1)现场选择一个流量点在尽可能的重复条件下测量6次,得到一个相对误差测量列,1.16%,1.44%,1.93%,2.35%,1.82%,2.54%用极差法得到
QQ截图20170720100944.jpg
        式中C为极差系数。
        QQ截图20170720101020.jpg
        2)标准表自身不准确带来的不确定度
        QQ截图20170720101057.jpg
        3)测量管道内径带来的不确定度
        管道内径测量是通过测量外径和管道壁厚而得,由于现场校准条件一般都不理想,通常管道外径采用了II级钢卷尺测量管道周长得到,壁厚通过超声波测厚仪测量得到。II级钢卷尺使用中的最大允许误差为±(0.6+0.4L)mm(L为管道周长)=±1.4mm。所用超声波测厚仪的最大误差为±0.02mm,相比钢卷尺可以忽略。那么测量管道内径的误差为:的误差为:±1.4/π≈±0.5mm。
 
        根据多次试验,内径测量误差为±0.5mm时引起流量的影响量得到一个经验值,约为0.50%,按勻分布考虑,酬量管道峻带細不确定度为:
QQ截图20170720101120.jpg                       
2.5合成标准不确定度
QQ截图20170720101202.jpg
2、6扩展不确定度
QQ截图20170720101223.jpg
 
3、结语
        在线校准是大口径电磁流量计校准的发展方向,已越来越得到人们的重视。从应用情况来看,在线校准具有以下优点:1)符合了仪表在使用中的计量管理要求;2)校准时不断水,保证了生产和供应的连续性;3)减少了工作量,省却了仪表送校拆装等大量费用。对保护珍贵的水资源、节约用水、保证水资源不流失以及维护和保障能源交易市场秩序有着极其重要的意义。但是,由于现场条件恶劣,环境复杂,影响因素较多,大口径流量在线校准的测量不确定度分析方法还需进一步研究,它的科学性和准确性还有待提高。
 
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