現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)電磁流量計(jì)測(cè)量污水的結(jié)果準(zhǔn)確率分析

1 電磁流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)符合性研究的必要性根據(jù)《JJF 1094—2002 測(cè)量?jī)x器特性評(píng)定》要求，對(duì)測(cè)量?jī)x器特性進(jìn)行符合性評(píng)定時(shí)，若評(píng)定示值誤差的不確定度 U95與被校測(cè)量?jī)x器最大允許誤差的值 MPEV 滿(mǎn)足關(guān)系 U95≤1/(根號(hào)3) MPEV 時(shí)，可不考慮示值誤差評(píng)定的測(cè)量不確定度的影響，是否合格的判定。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果如何進(jìn)行評(píng)估? 是一直困擾著檢測(cè)技術(shù)人員的難題。這里提出研究其符合性，可以判斷測(cè)量結(jié)果是否在可控范圍內(nèi)，校準(zhǔn)是否有效。進(jìn)行符合性評(píng)定的同時(shí)，能幫助用戶(hù)理解校準(zhǔn)結(jié)果、消除疑慮，亦可有效分析出問(wèn)題所在，使得使用方更容易對(duì)癥下藥進(jìn)行整改。

2 流量計(jì)原理

2. 1 電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)是應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)原理，根據(jù)導(dǎo)電流體通過(guò)外加磁場(chǎng)時(shí)感生的電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)量導(dǎo)電流體流量的一種儀器。體積流量 qv 與產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)成正比，檢測(cè)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)即可求出對(duì)應(yīng)流量值。

2. 2 超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)一般使用外夾式時(shí)差法超聲波流量計(jì)。在規(guī)定位置安裝兩個(gè)超聲波換能器相互發(fā)射超聲波信號(hào)，使聲波在流體中傳播，順流方向聲波傳播速度會(huì)增大，逆流方向則減小。同一傳播距離就有不同的傳播時(shí)間，利用傳播速度之差與被測(cè)流體流速之關(guān)系求取流速，再根據(jù)流體截面積計(jì)算出體積流量。

3 符合性評(píng)定來(lái)源和影響因素

雖然標(biāo)準(zhǔn)器與被檢儀表在同一個(gè)管道中，介質(zhì)的物理性質(zhì)、環(huán)境條件和安裝位置基本相同，但同樣的因素對(duì)不同種類(lèi)的流量計(jì)影響卻不一樣。這就決定了兩個(gè)準(zhǔn)確度相近的流量計(jì)在相同條件下測(cè)量結(jié)果可能相差很大，這些會(huì)導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果偏移的因素就是符合性評(píng)定的來(lái)源。

3. 1 必須符合的因素

3. 1. 1 是否滿(mǎn)管的影響

電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)都屬于速度式流量計(jì)，測(cè)量得到的是管道內(nèi)的平均流速，再根據(jù)管道截面積計(jì)算出流量值。然而當(dāng)管道內(nèi)流體不是滿(mǎn)管狀態(tài)時(shí)，實(shí)際流體截面積小于滿(mǎn)管時(shí)的流體截面積，測(cè)量的結(jié)果就會(huì)偏離很大。所以測(cè)量前一定要確認(rèn)流體是否處于滿(mǎn)管流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)于非滿(mǎn)管的管道，無(wú)法進(jìn)行有效的校準(zhǔn)測(cè)量。

3. 1. 2 安裝位置的影響

在流量計(jì)安裝位置的下游應(yīng)有一定的背壓，才能確保流體充滿(mǎn)管道。一般的安裝位置有四種: 高位水平安裝、低位水平安裝、垂直向下安裝和垂直向上安裝。如圖 1 所示，其中高位水平安裝和垂直向下安裝極容易導(dǎo)致流體非滿(mǎn)管的情況，只允許垂直向上安裝和低位水平安裝。

3. 2 需要附加進(jìn)行評(píng)定的因素

3. 2. 1 前后直管段的影響

流量計(jì)保證儀表安裝前后有一定長(zhǎng)度的直管段，以確保流體到達(dá)被檢儀表時(shí)管道截面流速軸對(duì)稱(chēng)分布。對(duì)于電磁流量計(jì)，當(dāng)流體流速分布不均勻時(shí)，每個(gè)流動(dòng)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于電極幾何位置的不同，對(duì)電極所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小也不同，測(cè)量結(jié)果就會(huì)有偏差。

超聲波流量計(jì)對(duì)直管段要求相比于電磁流量計(jì)更加苛刻，當(dāng)流體不穩(wěn)定時(shí)，對(duì)聲波傳播速度和方向影響很大。在前后直管段相同的情況下，兩種流量計(jì)的測(cè)量誤差也不一樣。

3. 2. 2 介質(zhì)的影響

當(dāng)介質(zhì)為含有雜質(zhì)的污水時(shí)，會(huì)有化學(xué)、生物、物理污染物的影響。對(duì)于電磁流量計(jì)，一些沉淀物會(huì)附著在電磁流量計(jì)電極表面，常常引起零點(diǎn)變動(dòng)，故必須確認(rèn)是否周期性清理，未定期清理的電磁流量計(jì)會(huì)帶有附加誤差。

污水流動(dòng)過(guò)程中比凈水更容易產(chǎn)生氣泡，污水中的固體顆粒、生物因子、氣泡會(huì)嚴(yán)重阻礙超聲波的傳播和信號(hào)接收，對(duì)超聲波流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度影響是非常嚴(yán)重的。

3. 2. 3 漸擴(kuò)管和漸縮管的影響

當(dāng)管道設(shè)計(jì)與電磁流量計(jì)口徑選型不符時(shí)，常常使用漸變管進(jìn)行變徑。根據(jù)試驗(yàn)研究，角度小于15°、直管段距離大于 5D( D 為管道直徑) 的漸擴(kuò)管和漸縮管對(duì)流體狀態(tài)幾乎沒(méi)有影響; 而角度大于15°或直管段距離小于 5D 時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮漸擴(kuò)管和漸縮管對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

3. 2. 4 管道狀態(tài)的影響

管道的缺陷一般包括: 管道外部起銹或附著污泥，導(dǎo)致外徑測(cè)量偏大; 管道類(lèi)型為卷鋼，有焊接痕跡突起，導(dǎo)致外徑測(cè)量偏大; 管道老化內(nèi)部有銹層，導(dǎo)致內(nèi)徑實(shí)際值偏小，流量隨之偏小。電磁流量計(jì)與超聲波流量計(jì)流量計(jì)算原理同為流體平均流速乘以流體截面積，因此內(nèi)徑偏差導(dǎo)致的流體截面積誤差會(huì)對(duì)兩種流量計(jì)造成影響。

超聲波流量計(jì)安裝時(shí)需要測(cè)量管道外徑，壁厚的測(cè)量只在打磨處進(jìn)行，因?yàn)閮?nèi)徑 = 外徑 － 壁厚，此時(shí)要考慮外徑測(cè)量偏大的影響。

3. 2. 5 超聲波流量計(jì)換能器安裝距離的影響

參考文獻(xiàn)中的試驗(yàn)結(jié)果，超聲波流量計(jì)換能器安裝距離的偏差也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果有誤差。當(dāng)傳感器之間的安裝距離的相對(duì)誤差為 4. 7% 時(shí)，流量相對(duì)誤差為 10. 7% ; 管道內(nèi)徑相對(duì)誤差為 － 3. 3%時(shí)，流量相對(duì)誤差為 － 5. 5% 。因此安裝距離對(duì)于超聲波流量計(jì)的影響是非常大的。須根據(jù)有無(wú)換能器安裝標(biāo)尺，現(xiàn)場(chǎng)操作等因素評(píng)估誤差。

3. 2. 6 其它因素影響

測(cè)量過(guò)程中還有其它因素會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的失準(zhǔn)，如: 電磁流量計(jì)周?chē)艌?chǎng)影響、電磁流量計(jì)遠(yuǎn)傳線路過(guò)長(zhǎng)對(duì)信號(hào)影響、噪音對(duì)超聲波流量計(jì)的聲波影響、流量計(jì)離泵過(guò)近( 小于 30D 距離) 帶來(lái)的流場(chǎng)不均勻的影響等。這些都是無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)量化的誤差來(lái)源，應(yīng)盡量避免，消除產(chǎn)生誤差的可能性。

4 評(píng)估與計(jì)算

用戶(hù)關(guān)心的是現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下流量的測(cè)量是否準(zhǔn)確。由于缺乏專(zhuān)業(yè)性，用戶(hù)會(huì)認(rèn)為校準(zhǔn)結(jié)果中的示值誤差就應(yīng)該代表流量測(cè)量時(shí)流量計(jì)的準(zhǔn)確性，經(jīng)常對(duì)證書(shū)給出的不確定度置之不理。除了前文提到的測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性、標(biāo)準(zhǔn)器示值誤差引起的不確定度 u1、u2，引入各種干擾因子的不確定度分量應(yīng)附加到校準(zhǔn)結(jié)果中，根據(jù)需要附加進(jìn)行評(píng)定的因素，有 u3、u4、u5、u6 等。得到:

5 結(jié)論

最后評(píng)估的 U95根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與測(cè)量過(guò)程一般在 1. 0% ～ 4. 0% 之間。當(dāng) Δ ≤MPEV + U95 時(shí)，校準(zhǔn)符合性判斷不合格; 當(dāng) MPEV － U95≤ Δ ≤MPEV+ U95時(shí)，根據(jù)《JJF 1094—2002 測(cè)量?jī)x器特性評(píng)定》定義，校準(zhǔn)符合性結(jié)果屬于待定。即可以通過(guò)采用準(zhǔn)確度更高的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)、改善環(huán)境條件、增加測(cè)量次數(shù)和改變測(cè)量方法等措施，以降低測(cè)量不確定度評(píng)定。然而限制于校準(zhǔn)方法的困乏、標(biāo)準(zhǔn)器精度的局限、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的客觀存在，不確定度的評(píng)定始終

無(wú)法達(dá)到 U95≤1/3 MPEV 的程度，測(cè)量誤差也基本不可能滿(mǎn)足 Δ ≤MPEV － U95，那么對(duì)電磁流量計(jì)的校準(zhǔn)符合性研究結(jié)果只能停留在待定與不合格之間。介于污水用大口徑電磁流量計(jì)的校準(zhǔn)現(xiàn)狀，我們認(rèn)為符合性處于待定區(qū)間的校準(zhǔn)過(guò)程是有意義的，使用方可以依照校準(zhǔn)證書(shū)進(jìn)行參考