電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)在線標(biāo)定（校準(zhǔn)）

電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)在線驗(yàn)證
   摘.. 要: 流量?jī)x表在有些使用場(chǎng)所不能離線校準(zhǔn)定期檢定, 如大型輸水管不允許停役, 為探知現(xiàn)場(chǎng)使用條件下流量測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性, 必須在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施在線校準(zhǔn)、比對(duì)或驗(yàn)證等三個(gè)不同層次的運(yùn)作。簡(jiǎn)要回顧了當(dāng)前實(shí)行的這些在線校準(zhǔn)和在線比對(duì), 著重闡述了電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)所采用的評(píng)估驗(yàn)證流量?jī)x表運(yùn)行狀況的方法。
   關(guān)鍵詞: 流量測(cè)量.. 在線校準(zhǔn).. 在線驗(yàn)證.. 電磁流量計(jì).. 超聲流量計(jì)
   0.. 引言
   電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)的流量量值通常在制造廠流量實(shí)驗(yàn)室的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上實(shí)流校準(zhǔn), 傳遞量值。然而在現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)和使用條件偏離校準(zhǔn)時(shí)的參比工作條件下, 為探知現(xiàn)場(chǎng)條件也就是對(duì)測(cè)量系統(tǒng)(包括流量?jī)x表、前后連接管、介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)等)的測(cè)量準(zhǔn)確度, 或者貿(mào)易交接計(jì)量要求短間隔周期檢定, 以及不容許停役管線離線校準(zhǔn)的場(chǎng)所, 需要在線校準(zhǔn)。流量?jī)x表的在線校準(zhǔn)是在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件下將流經(jīng)待校準(zhǔn)儀表的流體臨時(shí)接入固定式(或移動(dòng)式)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置或標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具進(jìn)行比較。除在線校準(zhǔn)層次外, 還有在線比對(duì)和在線驗(yàn)證兩個(gè)層次。流量?jī)x表在線比對(duì)的工作方法和..校準(zhǔn)..相似, 只是在某些方面達(dá)不到..校準(zhǔn)..規(guī)定, 要求相對(duì)低些, 如只與精度等級(jí)相近的參比測(cè)量計(jì)相比。流量?jī)x表在線驗(yàn)證是采用間接檢查(驗(yàn))的方法, 評(píng)估或驗(yàn)證儀表的流量測(cè)量值等性能仍保持或超過原校準(zhǔn)性能的范圍, 為是否仍可繼續(xù)使用或需進(jìn)一步檢查提供依據(jù)。
    1.. 在線校準(zhǔn)和在線比對(duì)
    流量?jī)x表的在線標(biāo)準(zhǔn), 其校準(zhǔn)條件(即流體物性、操作條件、安裝和環(huán)境條件)通常是在與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用條件充分一致的情況下進(jìn)行的。常用方法如圖1所示。圖1.. 在線流量校準(zhǔn)方法體系Fig. 1.. A rch itec ture of on- line flow ca libra tion m ethod
   1. 1.. 流量標(biāo)準(zhǔn)裝置法
   本方法首先在能源工業(yè)探索實(shí)踐, 當(dāng)前已在原油和天燃?xì)獾馁Q(mào)易交接計(jì)量中普遍應(yīng)用, 例如原油交接計(jì)量基本上實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)用基地式或移動(dòng)式標(biāo)準(zhǔn)體積管校準(zhǔn); 天然氣交接計(jì)量采用臨界流文丘里噴嘴(音速噴嘴)在線校準(zhǔn), 實(shí)例請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[ 1]。流量?jī)x表在線比對(duì)所采用的方法, 大體上和流量標(biāo)準(zhǔn)裝置法在線校準(zhǔn)相似, 有容器衡器比對(duì)法、參比流量計(jì)比對(duì)法和外夾裝換能器超聲流量計(jì)比對(duì)法等, 文獻(xiàn)[ 1]也有扼要說明。
   1. 2.. 示蹤法
   示蹤法在線校準(zhǔn)流量?jī)x表技術(shù)在國際上已相當(dāng)成熟, 早在上世紀(jì)70 年代就頒發(fā)了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2975.. ( 1~ 7)《封閉管道中水流量測(cè)量.. .. .. 示蹤法》和ISO4053.. ( 1、4) 《封閉管道中氣體流量測(cè)量.. .. .. 示蹤法》,其工作原理有兩類: 一是恒速注入法(也稱稀釋法) ; 二是瞬時(shí)注入示蹤劑的傳輸時(shí)間法。傳輸時(shí)間示蹤法也可使用在明渠流、非滿管流或疑有沉淀物滿管流的流量校準(zhǔn)。傳輸法測(cè)量滿管流液體, 在良好條件下有望得到0..5% 的測(cè)量準(zhǔn)確度, 測(cè)量氣體為0..7%。上世紀(jì)80年代, 江都水利工程管理處和武漢水利電力學(xué)院利用稀釋法(食鹽濃度)校準(zhǔn)DN1..6~ 3 m 水泵進(jìn)水流道差壓流量測(cè)量的系數(shù)。四個(gè)泵站實(shí)測(cè)結(jié)果表明流量極限誤差一般在2..5% ~ 4%之間[ 2] 。芬蘭Oy Indmeas Ab公司發(fā)布用傳輸時(shí)間示蹤法校準(zhǔn)700余臺(tái)測(cè)量污水滿管和非滿管電磁流量計(jì)、明渠文丘里流槽的報(bào)告[4] 。美國Kurz公司在技術(shù)交流會(huì)上稱: 用SF6示蹤劑校準(zhǔn)測(cè)量煙道排放氣的金氏定律熱式流量計(jì)的流量[ 5]。
    1. 3.. 速度面積法
   本法也是在線校準(zhǔn)的經(jīng)典方法, 亦有國際標(biāo)準(zhǔn)可咨遵循, 有ISO3354《封閉管道中清潔水流量測(cè)量.. .. .. 在滿道中和規(guī)則流動(dòng)條件下采用流速計(jì)的速度面積法》和ISO3966《封閉管道中流體流量測(cè)量.. .. .. 采用皮托靜壓管的速度-面積法》。上世紀(jì)60年代日本就曾在水電站現(xiàn)場(chǎng)用流速儀13個(gè)測(cè)量點(diǎn), 校準(zhǔn)DN1000大管徑電磁流量計(jì)。日本當(dāng)時(shí)還沒有具備符合要求的大型水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。江都泵站曾按ISO 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定位置布置26臺(tái)流速計(jì), 測(cè)量大型水泵3..5m .. 1..5m 矩形出水流道平均流速, 以校準(zhǔn)用差壓法測(cè)量泵進(jìn)水道差壓的流出系數(shù), 測(cè)量流速在1..2~ 1..3m / s之間。期間還用食鹽濃度法校準(zhǔn)流速計(jì)面積法, 在實(shí)驗(yàn)過程中再用食鹽濃度法復(fù)核流速計(jì)面積法的數(shù)據(jù)[ 3] 。量值傳遞流程如圖2所示。圖2.. 量值傳遞流程Fig. 2.. Pro cess o f values transfer
   2.. 在線驗(yàn)證
   當(dāng)在線校準(zhǔn)和比對(duì)兩種方法都不能實(shí)施時(shí), 只能退而采用在線驗(yàn)證, 其方法大體上有: 物料平衡法、熱量平衡法、設(shè)備能力估算法和其他參量評(píng)估法等。
   2. 1.. 物料平衡法
   本方法是利用測(cè)量系統(tǒng)中流入系統(tǒng)各流量計(jì)所測(cè)流量值的總和與流出系統(tǒng)各流量計(jì)測(cè)量值的總和相等, 或其差值在合理范圍內(nèi)。例如應(yīng)用于工程交工驗(yàn)收時(shí)驗(yàn)證相關(guān)流量計(jì)測(cè)量結(jié)果, 水廠出水總管流量和各輸送分管總和之間的驗(yàn)證。
   2. 2.. 熱量平衡法
   將與被測(cè)流量相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)代入熱量平衡方程式, 計(jì)算出流量理論值, 以驗(yàn)證流量測(cè)量值。例如鍋爐除氧器蒸汽消耗量以進(jìn)水流量和水升高溫度, 以熱量平衡計(jì)算驗(yàn)之[ 6]。
    2. 3.. 設(shè)備能力估算法
   根據(jù)相關(guān)設(shè)備能力估算流量的一種方法。例如供水企業(yè)測(cè)量輸水泵揚(yáng)程, 按泵的揚(yáng)程- 流量( h- q)特征估算輸水量。
   2. 4.. 其他參量評(píng)估法
   本方法是在檢驗(yàn)流量計(jì)流量信號(hào)以外其他流量測(cè)量要素的參量, 是否仍保持在原校準(zhǔn)流量時(shí)的允許范圍內(nèi), 評(píng)估驗(yàn)證所測(cè)流量的準(zhǔn)確性。如下文兩節(jié)所述檢驗(yàn)電磁流量計(jì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和測(cè)量超聲流量計(jì)的聲速。
    3.. 電磁流量計(jì)在線驗(yàn)證
   電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律測(cè)量導(dǎo)電流體流量的儀表, 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E 即流量信號(hào)正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B 和被測(cè)平均流速V, 即E = KBDV ( 1) 式中: K 為系數(shù); D 為測(cè)量管內(nèi)徑, 均為常值。若能證明測(cè)量要素B 仍保持在原校準(zhǔn)流量時(shí)的允差范圍內(nèi), 且證明沒有影響流量信號(hào)的其他不利因素(如信號(hào)回路絕緣電阻下降), 就可確認(rèn)所測(cè)流量值仍保持原有性能的值。為證明B 維持原值, 應(yīng)檢驗(yàn)勵(lì)磁線圈電阻/絕緣以及勵(lì)磁電流, 評(píng)估B; 檢查電極信號(hào)電路絕緣良好, 證明流量信號(hào)沒有被分流; 測(cè)量電極接液電阻, 評(píng)估電極表面狀況是否妨礙正常測(cè)量; 檢查測(cè)量各部件絕緣電阻以判斷零部件劣化程度; 再以模擬信號(hào)器及其他通用儀器檢查轉(zhuǎn)換器完好性。這些檢查項(xiàng)目如表1所示, 文獻(xiàn)[ 7]有詳細(xì)的論述。.. .. 基于這些由制造廠售后服務(wù)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用維修工程師們積累的檢查和驗(yàn)證方法, 上世紀(jì)90年代中期國外開發(fā)了專用儀器和軟件, 實(shí)施電磁流量計(jì)的在線檢查驗(yàn)證, 如商業(yè)名Calmaster ( ABB 公司), M agcheck (Krohne公司)的儀器, 但只能用于本企業(yè)儀表。國內(nèi)也有電磁流量計(jì)制造廠正在開發(fā)這類儀器。
表1.. 智能電磁流量計(jì)檢查項(xiàng)目Tab. 1.. List of inspecting items for electromagnetic flowmeter 序號(hào)檢查項(xiàng)目說.. 明1 整機(jī)零點(diǎn)配套檢查2 連接電纜絕緣電阻、導(dǎo)通性34 轉(zhuǎn)換器絕緣電阻(供電回路) 校準(zhǔn)56789 10 11 流量傳感器勵(lì)磁線圈銅電阻勵(lì)磁線圈絕緣電阻電極接液電阻信號(hào)電路絕緣電阻勵(lì)磁電路和信號(hào)之間絕緣電阻電極和襯里外觀電極絕緣電阻可停役管線實(shí)施中國城鎮(zhèn)供水協(xié)會(huì)設(shè)備工作委員會(huì)組織水廠、儀表制造廠、計(jì)量測(cè)試單位編寫《電磁流量計(jì)在線校準(zhǔn)規(guī)程》,規(guī)范水務(wù)業(yè)內(nèi)電磁流量計(jì)在線檢證的操作, 以解決當(dāng)前裝用儀表的在線檢查驗(yàn)證。
    4.. 超聲流量計(jì)的在線驗(yàn)證
   超聲流量計(jì)是利用向流動(dòng)的流體發(fā)射超聲波, 傳播時(shí)承載上流體流速的信息, 予以接收并檢測(cè)流體流速的儀表。應(yīng)用于石油和天然氣業(yè)儲(chǔ)運(yùn)交接的超聲流量計(jì)是以超聲波在流體內(nèi)順逆兩個(gè)方向傳播, 利用傳播速度差與流體流速之間的關(guān)系, 求取流體流量。如何在線判定運(yùn)行中超聲流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確性, 在天然氣應(yīng)用中人們利用實(shí)測(cè)聲速這一參量與從測(cè)量氣體或成分計(jì)算所得聲速(即從超聲流量計(jì)外獲得的參比量)進(jìn)行比較, 驗(yàn)證超聲流量計(jì); 在海上FPSO ( float ing production storage and offloading)平臺(tái)上利用兩臺(tái)串接超聲流量計(jì), 分析所測(cè)流量和聲速的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 判析儀表的運(yùn)行狀況。
    4. 1.. 計(jì)算聲速和實(shí)測(cè)聲速比較、驗(yàn)證[ 8]
    自1998年美國燃?xì)鈪f(xié)會(huì)提出AGA 第9 號(hào)報(bào)告《多聲道超聲流量計(jì)測(cè)量燃?xì)狻芬詠? 多聲道超聲流量計(jì)應(yīng)用于天然氣交接計(jì)量日益增加。交接計(jì)量要求經(jīng)常檢查測(cè)量準(zhǔn)確性。Daniel多聲道超聲流量計(jì)的用戶超聲接口CU I ( customer ultrasonic interface)軟件對(duì)儀表作內(nèi)部診斷, 保證運(yùn)行良好。然而這些檢查診斷還沒有與外界任何一個(gè)參比量比較; 還不能判斷是否測(cè)量準(zhǔn)確, 還需要一個(gè)外界參比量。超聲在流體中傳播時(shí)間是儀表求取流速的原始測(cè)量, 傳播時(shí)間和儀表輸出以及所測(cè)聲速也不準(zhǔn)確, 因此周期性地用外界獨(dú)立的參比聲速與超聲流量聲速比較, 以檢驗(yàn)超聲流量計(jì)性能。這一參比聲速是以氣相色譜儀所測(cè)天然氣成分和實(shí)時(shí)壓力/溫度按AGA第10號(hào)報(bào)告《天然氣和其他相關(guān)氣相烴的聲速》經(jīng)流量計(jì)算機(jī)計(jì)算獲得, 與超聲測(cè)量計(jì)所測(cè)聲速連續(xù)地比較。圖3所示是由流量計(jì)算機(jī)分別計(jì)算每隔10m in實(shí)測(cè)聲速和計(jì)算聲速平均值的記錄例。若兩者偏差超過設(shè)定值將發(fā)出信號(hào), 以引起注視。圖3.. 實(shí)測(cè)聲速與計(jì)算聲速比較Fig. 3.. Com parison o f measured and ca lculated sound ve lo city
   4. 2.. 分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
   巴西IPT 技術(shù)研究所發(fā)表文章, 報(bào)道分析串接在FPSO平臺(tái)上兩臺(tái)相同型號(hào)DN600五聲道超聲流量計(jì)發(fā)送石油的流量和聲速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 以驗(yàn)證交接計(jì)量的運(yùn)行狀況[ 9]。兩臺(tái)儀表中一臺(tái)日常貿(mào)易交接計(jì)量?jī)x表由另一臺(tái)參比表(m asterm eter)核查和校驗(yàn)。圖4所示是貿(mào)易計(jì)量?jī)x表流量在4 000~ 5 500m3 /h時(shí)的校驗(yàn)記錄, 變化在原校準(zhǔn)儀表系數(shù)的.. 0..180%范圍內(nèi), 變化為0..090%, 標(biāo)準(zhǔn)偏差為0..045%。圖4.. 貿(mào)易計(jì)量?jī)x表系數(shù)校驗(yàn)記錄F ig. 4.. Coe fficient calibration reco rd of m eter ing instrumentation fo r custody transfe r 用兩臺(tái)相同型號(hào)超聲流量計(jì)核查校驗(yàn), 結(jié)果顯示儀表系數(shù)在1. 000附近變化很小, 可解釋為兩種可能性: ① 計(jì)量?jī)x表和參比表兩者均沒有漂移, 這是大多數(shù)的可能事件; ② 計(jì)量?jī)x表和參比表以相同方式和相同方向漂移, 這在測(cè)量系統(tǒng)短時(shí)工作儀表系數(shù)變化0. 090% 的條件下, 是小概率事件, 或視為不可能事件。再從計(jì)量?jī)x表與參比表五個(gè)聲道的各聲道間, 求取聲速比值考察儀表的穩(wěn)定性, 表2 摘錄流量在3 電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)在線驗(yàn)證.. 蔡武昌PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vo.l 28 No. 4 April 2007 5 500m3 /h時(shí)的聲速比, 五個(gè)聲道兩儀表聲速比變化為0..006%。從上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析說明, 在2003年10月31日到2004年1月26日期間兩臺(tái)儀表運(yùn)行是十分穩(wěn)定的, 重復(fù)性和再現(xiàn)性也沒有明顯變化。表2.. 參比表和計(jì)量?jī)x表聲速比值Tab. 2.. Comparison of sound ve locity be tween master meter and meter ing instrumentation 聲道聲.. 速.. 比.. .. 平均值.. .. .. .. .. .. .. 標(biāo)準(zhǔn)偏差聲道1 1. 008 68 0. 003 44% 聲道2 1. 004 36 0. 003 52% 聲道3 1. 000 55 0. 003 70% 聲道4 1. 000 30 0. 003 41% 聲道5 0. 997 30 0. 003 67% .. .. .. .. 測(cè)試次數(shù)1 294
    4. 3.. 國家檢定規(guī)程中的規(guī)定
   我國正在制訂《超聲流量計(jì)檢定規(guī)程》的..附錄D 超聲流量計(jì)的使用中檢測(cè)..也規(guī)定用聲速復(fù)核和驗(yàn)證在線使用中的儀表, 規(guī)定每次實(shí)驗(yàn)流量點(diǎn)每條聲道的計(jì)算值與前一次計(jì)算一致, 偏差不得大于3%。
   5.. 結(jié)束語
   流量?jī)x表可以行之有效地實(shí)行在線校準(zhǔn)比對(duì), 智能電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)的實(shí)踐說明, 流量?jī)x表還可以通過檢查流量信號(hào)以外的相關(guān)參量, 評(píng)估或驗(yàn)證在檢定周期間的運(yùn)行狀況, 或據(jù)此延長儀表的檢定周期。.. .. 國外已有若干企業(yè)專業(yè)為客戶在線校準(zhǔn)或驗(yàn)證流量?jī)x表; 國內(nèi)也有若干單位正在開展這類業(yè)務(wù), 我們相信此業(yè)務(wù)今后將會(huì)得到更好的發(fā)展。
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