污水用电磁流量计现场校准符合性研究
添加时间：2022-06-23 08:45:43}
随着政府及社会对于水资源重视程度的提高,供水企业本身对于供水环节经济核算的要求,使得大口径的流量计需求日益增加。与此同时,污水处理量的增长也使得许多污水处理厂纷纷选择使用大口径流量计作为计量端口。电磁流量计因其无压力损失且不受管道内流体密度、黏度、温度等因素的影响,成为污水处理企业的选择。
大口径电磁流量计的在线使用数量十分庞大准确度等级一般为0.5级或1.0级。对于电磁流量计,国家有《JJG1033--2007电磁流量计》检定规程,规程规定需将被检电磁流量计安装在液体流量标准装置上进行检定。这就要求使用企业先停止处理污水,然后将流量计从管道上拆卸下来,送到法定计量机构进行检定。这在实际状况下是很困难的,时间和经济上都不允许。因此,大部分企业只能选择在线校准模式对流量计进行误差验证。
由于现场管道的封闭性,使用嵌入式或插入式的标准器进行校准是不可行的,而外夹式的液体超声波流量计精度往往劣于被校电磁流量计。综合以上因素,目前国内对大口径电磁流量计现场校准通常采用相同准确度等级的外夹式超声波流量计作为标准器进行比较,即让超声波流量计与被校准电磁流量计串联在现场管道中,同步读取两者的示值。
检测人员在出具校准证书时给出两种流量计的示值并评定测量结果的不确定度。现在出现了一个普遍性的问题:校准的示值误差经常大大超过被校流量计的zui大允许误差,且不确定度分析不够全面。原因在于一方面标准器的准确度等级与被校流量计平级,示值误差期望本身就比较大;另一方面,流量计本身之外的因素对测量结果也有比较大的影响,如环境条件、介质、安装位置等。
很多用户购买流量计后,把流量计的精度误认为整个流量体系的精度。校准的数据偏离就让许多用户产生疑问甚至纠纷,这就导致了校准数据常常让使用方无法判断示值误差是否准确,也无法精确修正误差,更不能实现溯源性,校准就失去了意义。
国家目前没有电磁流量计的校准规范,所以检测人员在校准电磁流量计时往往参照电磁流量计检定规程。问题在于,检定电磁流量计时是在实验室环境下进行,然而现场校准时的管道、安装距离等条件并非如实验室里那样理想,按照检定规程的方法校准电磁流量计,得到的测量结果是否有效所以检测人员往往只能给出现场环境下的校准结果,而无法对校准的符合性进行判断。
1.电磁流量计现场校准符合性研究的必要性
根据《JJF1094-2002测量仪器特性评定》要求,对测量仪器特性进行符合性评定时,若评定示值误差的不确定度U95与被校测量仪器zui大允许误差的**值MPEV满足关系U95≤MPEV时,可不考虑示值误差评定的测量不确定度的影响,是否合格的判定依据如表1所示。
假设被校电磁流量计准确度等级为1.0级,MPEV为1%。使用同精度的标准器进行校准,标准器带来的不确定度为1%/√3,即在理想状态下U95也不可能满足U95≤1/3MPEV。而当U95>MPEV时,判定合格的依据如表2所示。
MPEV参照说明书或出厂检定,是已知的值,而示值误差一旦校准完成也可以确定,因此U95的评估至关重要。目前而言,校准结果的不确定度评估往往仅考虑实验室环境下,只对测量结果的重复性、标准器示值误差带来的不确定度进行评定,忽略了现场环境下电磁流量计安装在较差状态的管道或现场安装条件达不到要求时,其它各种因素带来的不确定度影响。
对现场检测结果如何进行评估?是一直困扰着检测技术人员的难题。这里提出研究其符合性,可以判断测量结果是否在可控范围内,校准是否有效。进行符合性评定的同时,能帮助用户理解校准结果、消除疑虑,亦可有效分析出问题所在,使得使用方更容易对症下药进行整改。
2.流量计原理
2.1电磁流量计
电磁流量计是应用法拉第电磁感应原理,根据导电流体通过外加磁场时感生的电动势来测量导电流体流量的一种仪器。体积流量q,与产生的电动势成正比,检测电动势信号即可求出对应流量值。
2.2超声波流量计
超声波流量计现场校准一般使用外夹式时差法超声波流量计。在规定位置安装两个超声波换能器相互发射超声波信号,使声波在流体中传播顺流方向声波传播速度会增大,逆流方向则减小。同一传播距离就有不同的传播时间,利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速,再根据流体截面积计算出体积流量。
3.符合性评定来源和影响因素
虽然标准器与被检仪表在同一个管道中,介质的物理性质、环境条件和安装位置基本相同,但同样的因素对不同种类的流量计影响却不一样。这就决定了两个准确度相近的流量计在相同条件下测量结果可能相差很大,这些会导致校准结果偏移的因素就是符合性评定的来源。
3.1必须符合的因素
1.1是否满管的影响
电磁流量计和超声波流量计都属于速度式流量计,测量得到的是管道内的平均流速,再根据管道截面积计算出流量值。然而当管道内流体不是满管状态时,实际流体截面积小于满管时的流体截面积,测量的结果就会偏离很大。所以测量前一定要确认流体是否处于满管流动状态,对于非满管的管道,无法进行有效的校准测量。
3.1.2安装位置的影响
在流量计安装位置的下游应有一定的背压,才能确保流体充满管道。一般的安装位置有四种:高位水平安装、低位水平安装、垂直向下安装和垂直向上安装。如图1所示,其中高位水平安装和垂直向下安装极容易导致流体非满管的情况,只允许垂直向上安装和低位水平安装。
3.2需要附加进行评定的因素
3.2.1前后直管段的影响
流量计保证仪表安装前后有一定长度的直管段,以确保流体到达被检仪表时管道截面流速轴对称分布。对于电磁流量计,当流体流速分布不均匀时,每个流动质点相对于电极几何位置的不同,对电极所产生的感应电动势的大小也不同,测量结果就会有偏差。
超声波流量计对直管段要求相比于电磁流量计更加苛刻,当流体不稳定时,对声波传播速度和方向影响很大。在前后直管段相同的情况下,两种流量计的测量误差也不一样。
3.2.2介质的影响
当介质为含有杂质的污水时,会有化学、生物、物理污染物的影响。对于电磁流量计,一些沉淀物会附着在电磁流量计电极表面,常常引起零点变动,故必须确认是否周期性清理,未定期清理的电磁流量计会带有附加误差。
污水流动过程中比净水更容易产生气泡,污水中的固体颗粒、生物因子、气泡会严重阻碍超声波的传播和信号接收,对超声波流量计的测量准确度影响是非常严重的。
3.2.3渐扩管和渐缩管的影响
当管道设计与电磁流量计口径选型不符时,常常使用渐变管进行变径。根据试验研究,角度小于15°、直管段距离大于5D(D为管道直径)的渐扩管和渐缩管对流体状态几乎没有影响;而角度大于15°或直管段距离小于5D时,应当考虑渐扩管和渐缩管对测量结果的影响。
3.2.4管道状态的影响
管道的缺陷一般包括:管道外部起锈或附着污泥,导致外径测量偏大;管道类型为卷钢,有焊接痕迹突起,导致外径测量偏大;管道老化内部有锈层,导致内径实际值偏小,流量随之偏小。电磁流量计与超声波流量计流量计算原理同为流体平均流速乘以流体截面积,因此内径偏差导致的流体截面积误差会对两种流量计造成影响。超声波流量计安装时需要测量管道外径,壁厚的测量只在打磨处进行,因为内径=外径-壁厚,此时要考虑外径测量偏大的影响。
3.2.5超声波流量计换能器安装距离的影响
参考文献中的试验结果,超声波流量计换能器安装距离的偏差也会导致测量结果有误差。当传感器之间的安装距离的相对误差为4.7%时,流量相对误差为10.7%;管道内径相对误差为-3.3%时,流量相对误差为-5.5%。因此安装距离对于超声波流量计的影响是非常大的。须根据有无换能器安装标尺,现场操作等因素评估误差。
3.2.6其它因素影响
测量过程中还有其它因素会导致测量结果的失准,如:电磁流量计周围磁场影响、电磁流量计远传线路过长对信号影响、噪音对超声波流量计的声波影响、流量计离泵过近(小于30D距离)带来的流场不均匀的影响等。这些都是无法现场量化的误差来源,应尽量避免,消除产生误差的可能性。
4.评估与计算
用户关心的是现场环境下流量的测量是否准确。由于缺乏**性,用户会认为校准结果中的示值误差就应该代表流量测量时流量计的准确性,经常对证书给出的不确定度置之不理。
除了前文提到的测量结果的重复性、标准器示值误差引起的不确定度u1、u2,引人各种干抗因子的不确定度分量应附加到校准结果中,根据需要附加进行评定的因素,有u3、u4、u5、u6等。得到:
5.结论
zui后评估的U95根据现场环境与测量过程一般在1.0%~4.0%之间。当I∆I≤MPEV+U95时,校准符合性判断不合格;当MPEV-U95≤I∆l≤MPEV+U时,根据《JJF1094-2002测量仪器特性评定》定义,校准符合性结果属于待定。即可以通过采用准确度更高的测量标准、改善环境条件、增加测量次数和改变测量方法等措施,以降低测量不确定度评定。然而限制于校准方法的困乏、标准器精度的局限、现场环境的客观存在,不确定度的评定始终无法达到U95≤1/3MPEV的程度,测量误差也基本不可能满足I∆I≤MPEV-U95,那么对电磁流量计的校准符合性研究结果只能停留在待定与不合格之间。介于污水用大口径电磁流量计的校准现状,我们认为符合性处于待定区间的校准过程是有意义的,使用方可以依照校准证书进行参考。
