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      大口徑電磁流量計在線校準結果的不確定度分析

      來源:作者:發表時間:2017-07-20 09:28:41

      摘要:大口徑在線液體流量測量方法得到越來越多的應用,在線流量測量的影響因素較多,科學分析其測量結果的不確定度對保證水能源貿易結算的準確公平、水資源的量化管理及平衡調度有著十分重要的意義。本文著重介紹了大口徑電磁流量計在線校準的測量不確定度分析方法。
       
      引言
       
              隨著大口徑流量測量逐漸成為液體能源交易的重要手段,各種大口徑流量計也應運而生。電磁流量計由于其量程范圍寬、無壓力損失、抗干擾能力強、反應靈敏、準確度高等優越的性能,被廣泛用在供水、供熱行業和污水處理終端排放流量計量中,按照《計量法》的規定應對其進行定期的計量檢定。但由于在線使用的大口徑電磁流量計拆卸困難,無法做到在不影響正常供水情況下進行離線周期檢定。針對這
      一現象我院建立了一套用外夾式超聲波流量計作為標準表對大口徑液體流量計的在線校準裝置,在保證標準表有效溯源的前提下,實現對電磁流量計的在線校準。該方法是在規定的條件下,在一定不確定度范圍內通過標準表確定被校流量計的計量特性,是一種既科學有效又適應現場需要的在線校準方法,但由于現場校準的不確定度因素較多,分析不確定度因素對提高現場校準的水平及保證水資源不流失、水資源的量化管理、合理配置、平衡調度有著十分重要的意義。
       
      1、在線校準的原理
              標準表法在線校準是在大口徑電磁徑流量計所在管道上串聯一個準確度較高的外夾式超聲流量計流量計作為標準表,對在線的電磁流量計和前后連接管道、介質流動狀態等組成的流量測量系統的整體校準。使流體在相同的時間間隔內連續通過標準表和被校流量計,記錄被檢表標準表的流量值,以標準表示值作為標準值,計算被檢流量計的誤差。
       
              標準表超聲流量計測量流量是以測量聲波在流動介質中傳播的時間與流量的關系為原理。通常認為聲波在流體中的實際傳播速度是由介質靜止狀態下聲波的傳播速度(Cf)和流體軸向平均流速(Vm)在聲波傳播方向上的分量組成。按圖1所示,順流和逆流傳播時間與各量之間的關系是:
      順流和逆流傳播時間與各量之間的關系
              式中QQ截圖20170720094056.jpg為超聲波在流體中順流傳播的時間;QQ截圖20170720094103.jpg為超聲波在流體中逆流傳播的時間;L為聲道長度;QQ截圖20170720094112.jpg為聲波在流體中傳播的速度;QQ截圖20170720094117.jpg為流體的軸向平均流速;QQ截圖20170720094124.jpg為聲道角。
      通用示意圖
              可利用式(1)和式(2)兩式得出流體流速的表達式:
      QQ截圖20170720094426.jpg
              將測得的多個聲道的流體流速Vi,i=1,2,.....,K;利用數學的函數關系聯合起來,可得到管道平均流速的估計值QQ截圖20170720094447.jpg,乘以過流面積A,即可得到體積流量;QQ截圖20170720094513.jpg
       
      2、電磁流置計在線校準結果的不確定度分析
       
              由于在線校準采用的方法是標準表法,且標準表串聯在被檢大口徑電磁流量計的管道上,因此,影響校準結果的因素與標準表及其換能器安裝位置、安裝方式和管道參數等因素有關。以我院使用的雙聲道超聲流量計為例,其原理題超聲波在流體內順逆兩個傳播方向,利用傳播時間差與流體流速之間的關系得到流體流量的,原理圖見圖1所示。
       
              本次分析被測對象為1.0級的電磁流量計,標準表為雙聲道超聲流量計,測量管徑為600mm,管內介質為凈水,水溫為常溫。
       
      2、數學模型
      QQ截圖20170720100432.jpg
              式中,△為很好示值誤差;Q為在檢定時間內被檢流量計測得的累計流量值;Qs為在檢定時間內標準流量計測得的實際累計流量值。
       
      2.2不確定度來源分析
              1)被校流量計測量重復性帶來的不確定度分量,其中在線校準流體狀況復雜,連接管道、閥門和流體不穩定等影響因素都包含在了重復性中。
              2)由標準表帶來的不確定度分量:
              a.由標準表(超聲流量計)自身測量不準確帶來的不確定度分量。
              b.管道內徑測量引人的不確定度分量:從式(3)可以看出聲道長度和管道內徑有直接關系,因此管道內徑測量不準確是影響流量測量的一個影響量。
              C.標準表其他影響量的分析:超聲流量計安裝換能器時,安裝距離可由定距棒固定,因此,換能器安裝位置的偏差對校準結果的影響可以忽略不計;換能器安裝方式一般根據標準超聲流量計對不同介質的選擇是固定的,在此不考慮該影響量;液體介質中的聲速與溫度有關,關系式為QQ截圖20170720100612.jpg其中:QQ截圖20170720100616.jpg表示溫度為t時的聲速,QQ截圖20170720100621.jpg為表格中指出的溫度,QQ截圖20170720100627.jpg表示溫度為QQ截圖20170720100621.jpg時的聲速,α為溫度系數。
              由于本次分析的介質為常溫水,溫度對標準表的影響可以忽略。在測量熱水管道時應考慮溫度的影響。
              綜上所述,除被測表重復性和標準表自身帶來的不確定度,其它影響量還有1個。
       
              數學模型可以表示為:QQ截圖20170720100810.jpg
       
              式中,QQ截圖20170720100818.jpg為管道內徑測量不準對測量結果的影響。
       
      2.3、方差和靈敏系數
              根據誤差傳播定律,由式:(5)得
      wecvv5未標題-4.gif
       
      2.4、各不確定度分量
              以下不確定度分量中,測量重復性引人的不確定度采用A類評定,其余分量采用了B類評定。
              1)現場選擇一個流量點在盡可能的重復條件下測量6次,得到一個相對誤差測量列,1.16%,1.44%,1.93%,2.35%,1.82%,2.54%用極差法得到
      QQ截圖20170720100944.jpg
              式中C為極差系數。
              QQ截圖20170720101020.jpg
              2)標準表自身不準確帶來的不確定度
              QQ截圖20170720101057.jpg
              3)測量管道內徑帶來的不確定度
              管道內徑測量是通過測量外徑和管道壁厚而得,由于現場校準條件一般都不理想,通常管道外徑采用了II級鋼卷尺測量管道周長得到,壁厚通過超聲波測厚儀測量得到。II級鋼卷尺使用中的**大允許誤差為±(0.6+0.4L)mm(L為管道周長)=±1.4mm。所用超聲波測厚儀的**大誤差為±0.02mm,相比鋼卷尺可以忽略。那么測量管道內徑的誤差為:的誤差為:±1.4/π≈±0.5mm。
       
              根據多次試驗,內徑測量誤差為±0.5mm時引起流量的影響量得到一個經驗值,約為0.50%,按勻分布考慮,酬量管道峻帶細不確定度為:
      QQ截圖20170720101120.jpg                       
      2.5合成標準不確定度
      QQ截圖20170720101202.jpg
      2、6擴展不確定度
      QQ截圖20170720101223.jpg
       
      3、結語
              在線校準是大口徑電磁流量計校準的發展方向,已越來越得到人們的重視。從應用情況來看,在線校準具有以下優點:1)符合了儀表在使用中的計量管理要求;2)校準時不斷水,保證了生產和供應的連續性;3)減少了工作量,省卻了儀表送校拆裝等大量費用。對保護珍貴的水資源、節約用水、保證水資源不流失以及維護和保障能源交易市場秩序有著極其重要的意義。但是,由于現場條件惡劣,環境復雜,影響因素較多,大口徑流量在線校準的測量不確定度分析方法還需進一步研究,它的科學性和準確性還有待提高。
       
      日日干夜夜操

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