淺談電磁流量計在線檢定的應用

張成敏 徐 華 徐業(yè)峰

(上海貝菲自動化儀表有限公司1，上海 200127;昆山自來水集團有限公司2，江蘇 昆山 215300)

0 引言

流量是給排水和水處理等相關(guān)行業(yè)常用的過程控制和計量的重要參數(shù)和生產(chǎn)指標，它直接關(guān)系到水處理的進程與質(zhì)量。電磁流量計由于其結(jié)構(gòu)簡單，傳感器內(nèi)沒有可動部件，沒有節(jié)流裝置，不存在機械轉(zhuǎn)動和磨損，不會產(chǎn)生壓力損失，并因其精度高、線性好、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，在給排水、污水處理、引水工程等項目中得到廣泛的應用，用以進行內(nèi)部計量、過程控制和對外貿(mào)易結(jié)算。電磁流量計作為一種普遍的計量器具，按照《計量法》的規(guī)定，必須在一定的周期內(nèi)對該器具進行檢定或校準。同時，使用方為保證流量計使用的可靠性，也對電磁流量計生產(chǎn)廠家提出了這個要求。

然而，應用于水務行業(yè)中的電磁流量計口徑較大，安裝環(huán)境差等因素導致流量計很難甚至不允許拆卸之后送到標定裝置中進行復核。另外，由于此類流量計的現(xiàn)場工作條件與實驗室校驗設(shè)置條件存在偏異，因此，電磁流量計，尤其是大口徑的電磁流量在使用一個階段之后，測量也許會存在一定的不確定性偏差。在線大口徑流量計不停水的校準和檢定問題亟待解決。

1 電磁流量計的在線檢定方法

目前，普遍應用的電磁流量計在線檢定手段主要有標準表法和電參數(shù)法。電參數(shù)法是根據(jù)管道式電磁流量計的測量原理，對影響在線工作的管道式電磁流量計的相關(guān)參數(shù)進行檢定(如勵磁線圈對地絕緣電阻、電極對地(接液)電阻、勵磁線圈電阻和流量計電纜線電阻)，測量控制相關(guān)參數(shù)在一定允許的變化范圍內(nèi)與出廠檢定的原始數(shù)據(jù)進行比較溯源，使其保持在出廠時的標準準確度以內(nèi)，以滿足使用要求。標準表法是以標準表為標準器具，使流體在相同時間間隔內(nèi)，同時連續(xù)通過標準表和被校表，比較兩者的輸出流量值的偏差，從而確定被校流量計與標準表所示的流量值的關(guān)系。

對于以上兩種方法孰優(yōu)孰劣，不能斷然判明，但根據(jù)上海貝菲自動化儀表有限公司應用以上兩種方法的在線檢定過程均能反映測量性能。

2 電參數(shù)法

眾所周知，電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應定律來測量導電液體體積流量的儀表。法拉第電磁感應公式如式(1)所示:

式中:B為流量計勵磁線圈感應磁場的強度;V為被測電液導體的流速;D為管徑;K為儀表系數(shù)。宏觀上把導電液體看成導體。

由式(1)可知管徑D與系數(shù)K都為固定參數(shù)。在一定流速下，只要保證參數(shù)B的穩(wěn)定，那么感應電動E也隨之穩(wěn)定，即在進行電參數(shù)法在線檢定時，若參數(shù)B保持在出廠校準時的允許范圍內(nèi)時，就可證明該流量計目前所測流量的準確度仍與出廠時保持一致［3］。

影響電磁感應強度B的因素，就流量計本身而言，應檢驗勵磁線圈電阻(扣除溫度變化引起的差值)、勵磁線圈的絕緣以及勵磁電流的幅值。另外，我們需檢查電極信號電路絕緣性能是否良好，證明原本微弱的流量信號有沒有額外大的損失;測量電極的接液電阻，評估電極表面是否被過度氧化、腐蝕、結(jié)垢或損傷而影響正常測量;檢查接地電阻等情況并排除雜亂信號的干擾。同時，使用高精度的模擬信號器檢測轉(zhuǎn)換器的工作狀況。

上海貝菲自動化儀表有限公司于2009年8月與昆山市某自來水廠簽定供貨合同，其中大口徑表包括DN2000 mm流量計3臺、DN 1000 mm流量計4臺。按標書要求，出廠數(shù)據(jù)必須確保當流速為0.3 m/s時達到±0.25%示值誤差。在協(xié)助昆該自來水廠進行調(diào)試，流量計正常運行投入生產(chǎn)之后，于2010年8月份，根據(jù)《管道式電磁流量計在線校準要求》［1］對每臺表的原始數(shù)據(jù)一一記錄，一年之后，我們再次來到現(xiàn)場進行在線檢定。

2.1 電參數(shù)法的檢定過程

在檢定過程中，首先，觀察轉(zhuǎn)換器內(nèi)的各項參數(shù)設(shè)置是否有被改動過，要求轉(zhuǎn)換器的各項參數(shù)設(shè)置與電磁流量計出廠銘牌上的一致;然后觀察兩根電纜(勵磁電纜、信號電纜)是否有損傷，是否保持原樣。《管道式電磁流量計在線校準要求》指出需保證被測液體電導率符合流速在0.3～10 m/s的流動狀態(tài)下，被測管道中應保持滿管，無氣泡聚集。

在對該自來水廠進行檢定觀察時，全部的流量計都在穩(wěn)定有序地運行，無數(shù)據(jù)波動等狀況出現(xiàn)。因此，可以判定以上條件均符合，并在此基礎(chǔ)上對流量計的一系列參數(shù)作了檢測。

由于在第二次來到自來水廠時，該流量計處于運行狀態(tài)，因此，為不妨礙水廠的正常工作，我們對每個數(shù)據(jù)點只進行了兩次數(shù)據(jù)測量。

2.1.1 轉(zhuǎn)換器的校準

①瞬時流量的示值誤差及重復性檢定

先關(guān)閉轉(zhuǎn)換器的供電電源，并將轉(zhuǎn)換器連接傳感器的電纜拆卸下來，使用自主開發(fā)的模擬信號發(fā)生器(精度為±0.1%)，為轉(zhuǎn)換器提供模擬信號，代替實際使用過程中電磁流量計傳感器提供的流量信號。然后通電預熱片刻之后，分別選定高、中、低3個流速點，且采用上行程和下行程的方式對每個點都測試3遍，對轉(zhuǎn)換器的示值做出記錄，并將所記錄的值按照要求所記錄的公式進行處理，最后根據(jù)計算得到示值誤差和重復性［2－5］。

②轉(zhuǎn)換器零點檢查與校準

將電磁流量計模擬信號發(fā)生器的開關(guān)撥到“0”位置，用模擬信號發(fā)生器的零位進行調(diào)零，直到轉(zhuǎn)換器瞬時流量顯示為“0.000 m3/h”。

③電磁流量計零點漂移的檢查

斷開轉(zhuǎn)換器與傳感器之間勵磁線圈的連接電纜(貝菲產(chǎn)品的勵磁線圈連接電纜編號為“7、8”電纜線)，保持信號線“1、2、3”的聯(lián)通，經(jīng)過十幾分鐘左右的預熱(當然，在這預熱過程中可對其他表進行其他項目的檢查)，恢復轉(zhuǎn)換器的各項參數(shù)設(shè)置，每5 min記錄一次轉(zhuǎn)換器讀數(shù)情況，持續(xù)3次并記錄轉(zhuǎn)換器每次的顯示值。取絕對值最大的值與電磁流量計量程相比較，得到零點漂移值。

④轉(zhuǎn)換器輸出頻率及輸出電流校準

以電磁流量計模擬信號發(fā)生器為校準信號源，采集3個流速測量點的頻率計電流輸出信號，按照公式計算兩者的示值誤差。相關(guān)公式請參閱文獻［1］。

應該注意的是，轉(zhuǎn)換器輸出頻率、電流的最大允許示值誤差應不超過出廠準確度的要求。

2.1.2 傳感器的校準

①勵磁線圈電阻的測量

以數(shù)字萬用表為測量工具，兩個表筆分別搭在勵磁線圈的兩個端子上，測量勵磁線圈的電阻值，將測量結(jié)果與以往的記錄值進行比對。

②勵磁線圈對地絕緣電阻的測量

以500 V兆歐表為測量工具，將兆歐表的兩端分別夾在勵磁線圈一端和接地線上，操作兆歐表待顯示穩(wěn)定后讀數(shù)，要求絕緣電阻大于100 MΩ。

③傳感器接地電阻的測量

用數(shù)字式萬用表測量信號屏蔽線和接地線之間的電阻，要求對地電阻小于10 Ω。

④電極對地(接液)電阻值的測量

以指針式萬用表為測量工具(測量時會出現(xiàn)短暫的充放電現(xiàn)象)，讀取指針偏轉(zhuǎn)最大值時的值作為記錄值。電極的接地電阻值不能有較大的偏差率，否則視為不可控。

應注意的是，測量應該以第一次測量的最大值為準，若要再次測量，應消除電極上可能出現(xiàn)的極化現(xiàn)象，避免造成對測量準確性的影響;同時，要求測量偏差率≤20%［4］。

電磁流量計出廠時以及經(jīng)過一年的使用之后，再次對同一臺電磁流量計進行在線檢定，數(shù)據(jù)記錄及處理結(jié)果如表1、表2所示。其中，原始在線檢定數(shù)據(jù)的環(huán)境溫度為29℃、相對濕度為70%RH，最大示值誤差為0.25%;運行一年后檢定數(shù)據(jù)的環(huán)境溫度為30℃、相對濕度為70%RH。經(jīng)第三方檢測的原始數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 原始及運行一年后的電參數(shù)數(shù)據(jù)Tab.1 Original electric data and the data of sensor after one-year operation

表2 運行一年后的電參數(shù)數(shù)據(jù)(轉(zhuǎn)換器部分)Tab.2 The data of convertor after one-year operation

電磁流量計電參數(shù)在線檢定法主要用來對直接影響電磁流量計測量準確度的勵磁線圈的相關(guān)參數(shù)進行測量。

通過兩次數(shù)據(jù)的對比，可以很直觀地了解到這一臺電磁流量計的各項電參數(shù)在經(jīng)過一年的現(xiàn)場使用之后仍然能夠與原始數(shù)據(jù)很好地溯源。

表3 2010年8月第三方檢定數(shù)據(jù)Tab.3 Calibration data from the third party inspection institution(Aug.2010)

2.2 標準表法的檢定過程

標準表法是在管道上再安裝一個標準表，同步記錄兩臺流量計的輸出流量。在標準表的選擇方面，目前國內(nèi)外大部分企業(yè)機構(gòu)都是選用便攜式超聲波流量計作為標準表進行在線檢定。

以長春某熱力公司中一臺DN 1200 mm流量計為例，對運用便攜式超聲波流量計進行現(xiàn)場鑒定的過程做一簡單的陳述。

該熱力公司于每年10月初開始對供暖設(shè)施進行加壓試運行，檢查設(shè)備是否正常可靠。目前，我們公司有上百臺大口徑的流量計在該企業(yè)的熱力供給線上運行，在2010年10月份試運行過程中，發(fā)現(xiàn)其中一臺DN 1200 mm的大口徑流量計出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動，提議需對該表運行的準確度進行檢測［6－7］。使用兩臺精度為±0.5%、重復性為±0.15%的便攜式超聲波流量計對該流量計進行現(xiàn)場檢查。DN 1200 mm的大口徑流量計第三方檢定數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可以看出，最大示值誤差為0.18%，最大重復性為0.06%。

表4 2009年11月第三方檢定數(shù)據(jù)Tab.4 Calibration data from the third party inspection institution(Nov.2009)

操作人員到達現(xiàn)場后，首先對電磁流量計的數(shù)據(jù)進行采集記錄，發(fā)現(xiàn)流量計的顯示數(shù)據(jù)確實存在波動。隨后，根據(jù)現(xiàn)場情況及超聲波流量計的安裝要求，對管道外壁的污垢進行擦除，以保證超聲波流量計的可靠應用，并根據(jù)現(xiàn)場工作人員對管道內(nèi)壁的襯里描述，采用“V”形安裝方法對參數(shù)進行一一設(shè)置［8－10］。

值得說明的是，由于超聲波流量計對使用環(huán)境和安裝的要求較高，且在較寬的流速范圍之下，較難保證超聲波流量計在全流速范圍內(nèi)一直保持一個較高的精度。為此，分別選用高、低流速的兩臺超聲波流量計，分別對管道內(nèi)流體的高低流速進行測量，這在一定程度上可以實現(xiàn)測量結(jié)果的準確性。

經(jīng)分段檢定，超聲波流量計數(shù)據(jù)記錄如表5所示。對比發(fā)現(xiàn)，超聲波流量計數(shù)據(jù)顯示及波動情況與電磁流量計所反映的情況一致。

在線檢定后，發(fā)現(xiàn)流量計顯示的波動幅度越來越小。對此，我們判斷是因為管道在年內(nèi)首次通水及水溫差異等原因，使得管道內(nèi)存在大量氣泡，造成數(shù)據(jù)波動。經(jīng)建議，長春熱電在電磁流量計的前直管段上安裝了排氣閥，電磁流量計隨即正常工作。

表5 現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄表Tab.5 Field data record table

3 檢定注意事項

在檢定超聲波流量計時，應注意以下事項。

①安裝位置

超聲波流量計安裝位置的選擇需要操作員仔細了解工況情況，包括被檢管線的材質(zhì)、管外徑、管壁厚度、管內(nèi)襯里的材質(zhì)及厚度，管內(nèi)介質(zhì)等相關(guān)量的具體信息并核實，確保測量的準確度。

標準表的安裝需遠離上下游的擾動源，避免有害的漩渦等情況，但是在現(xiàn)場實際情況中達不到安裝要求的情況是很普遍的。這就需要現(xiàn)場操作人員有相當高的實際操作經(jīng)驗，選擇正確的地點和方式進行安裝，避免較大誤差的出現(xiàn)。

②“V”形安裝法

在直管段等情況允許的情況下，應該首選“V”形法安裝。因為使用“V”形安裝法，超聲波流量計的兩個換能器在管道的同一側(cè)，容易實現(xiàn)兩個換能器安裝在管道的中心線上;而且同一側(cè)的管壁，外部條件幾乎一致，對因參數(shù)設(shè)置引起的誤差可以將量減小到最低?！癡”形安裝法示意圖如圖1(a)所示。而使用“Z”形安裝法雖然聲程縮短近一半，但兩側(cè)相對的安裝方法使得換能器不易在同一個管徑平面上，導致超聲波接收到的信號質(zhì)量下降，這會無法避免地帶來相當大的測量誤差?！癦”形安裝法示意圖如圖1(b)所示。

③同時，我們認為用于標準表法比對的便攜式超聲波流量計對重復性要求是第一位的。

圖1 便攜式超聲波流量計安裝示意圖Fig.1 Installation diagram of the portable ultrasonic flowmeter

4 結(jié)束語

流量計在線檢定方法是切實可行的，雖然在線檢定方法與實驗室水流量標定裝置上校準存在一定程度上的差異，但是也在一定程度上緩解及解決了一些大口徑流量計不能拆卸進行標定的難題。為了進一步優(yōu)化管道式電磁流量計在線檢定方法，我們需要不斷總結(jié)在線檢定的經(jīng)驗或者開發(fā)在線檢定的專用儀器，這樣，電磁流量計的在線檢定方法會愈加的完善。

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.管道式電磁流量計在線校準要求(征求意見稿)［S］.2010.

［2］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG 1003-2007電磁流量計檢定規(guī)程［S］.2007.

［3］蔡武昌.電磁流量計和超聲波流量計在線驗證［J］.自動化儀表，2007，28(4):1 －4.

［4］蔡武昌，石海林.電磁流量計在線檢查和驗證［C］//全國先進控制技術(shù)與儀表裝置應用學術(shù)交流會議論文集，2003.

［5］蔡武昌，馬中元，瞿國芳，等.電磁流量計［M］.北京:中國石化出版社，2004.

［6］張艷萍.實現(xiàn)在線大口徑水流量計的檢測及校準［J］.山西科技，2008(3):168－169.

［7］趙雨斌，居滋培.特大口徑電磁流量計的檢定［J］.計量學報，2000(4):291－295.

［8］趙雨斌，華紅艷，邵明進.城鎮(zhèn)供水計量的技術(shù)特點及發(fā)展趨勢［J］.自動化儀表，2006，27(4):1 －3.

［9］姜渝，徐華.電磁流量計示值誤差校準不確定度評定［J］.自動化儀表，2009，30(10):46 －48.

［10］蘇彥勛.流量計量與測試［M］.北京:中國計量出版社，1992.