電磁流量計和超聲流量計在線(xiàn)驗證

    0 引言

    電磁流量計和超聲流量計的流量量值通常在制造廠(chǎng)流量實(shí)驗室的流量標準裝置上實(shí)流校準，傳遞量值。然而在現場(chǎng)流動(dòng)和使用條件偏離校準時(shí)的參比工作條件下，為探知現場(chǎng)條件也就是對測量系統（包括流量?jì)x表、前后連接管、介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)等）的測量準確度，或者貿易交接計量要求短間隔周期檢定，以及不容許停役管線(xiàn)離線(xiàn)校準的場(chǎng)所，需要在線(xiàn)校準。

    流量?jì)x表的在線(xiàn)校準是在現場(chǎng)測量條件下將流經(jīng)待校準儀表的流體臨時(shí)接入固定式（或移動(dòng)式）流量標準裝置或標準計量器具進(jìn)行比較。除在線(xiàn)校準最高層次外，還有在線(xiàn)比對和在線(xiàn)驗證兩個(gè)層次。

    流量?jì)x表在線(xiàn)比對的工作方法和“校準”相似，只是在某些方面達不到“校準”規定，要求相對低些，如只與精度等級相近的參比測量計相比。流量?jì)x表在線(xiàn)驗證是采用間接檢查（驗）的方法，評估或驗證儀表的流量測量值等性能仍保持或超過(guò)原校準性能的范圍，為是否仍可繼續使用或需進(jìn)一步檢查提供依據。

    1 在線(xiàn)校準和在線(xiàn)比對

    流量?jì)x表的在線(xiàn)標準，其校準條件（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(xiàn)流量校準方法體系

    1.1 流量標準裝置法

    本方法首先在能源工業(yè)探索實(shí)踐，當前已在原油和天燃氣的貿易交接計量中普遍應用，例如原油交接計量基本上實(shí)現在現場(chǎng)用基地式或移動(dòng)式標準體積管校準；天然氣交接計量采用臨界流文丘里噴嘴（音速?lài)娮欤┰诰�(xiàn)校準，實(shí)例請參閱文獻^[1]。

    流量?jì)x表在線(xiàn)比對所采用的方法，大體上和流量標準裝置法在線(xiàn)校準相似，有容器衡器比對法、參比流量計比對法和外夾裝換能器超聲流量計比對法等，文獻^[1]也有扼要說(shuō)明。

    1.2 示蹤法

    示蹤法在線(xiàn)校準流量?jì)x表技術(shù)在國際上已相當成熟，早在上世紀70年代就頒發(fā)了國際標準ISO2975-（1-7）《封閉管道中水流量測量-示蹤法》和ISO4053-（1、4）《封閉管道中氣體流量測量-示蹤法》，其工作原理有兩類(lèi)：一是恒速注入法（也稱(chēng)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(mǎn)管流或疑有沉淀物滿(mǎn)管流的流量校準。傳輸法測量滿(mǎn)管流液體，在良好條件下有望得到0.5%的測量準確度，測量氣體為0.7%。

    上世紀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DN1.6~3m水泵進(jìn)水流道差壓流量測量的系數。四個(gè)泵站實(shí)測結果表明流量極限誤差一般在2.5%~4%之間^[2]。

    芬蘭Oy lndmeas Ab公司發(fā)布用傳輸時(shí)間示蹤法校準70余臺測量污水滿(mǎn)管和非滿(mǎn)管電磁流量計、明渠文丘里流槽的報告^[4]。美國Kurz公司在技術(shù)交流會(huì )上稱(chēng)：用SF6示蹤劑校準測量煙道排放氣的金氏定律熱式流量計的流量^[5]。

    1.3 速度面積法

    本法也是在線(xiàn)校準的經(jīng)典方法，亦有國際標準可咨遵循，有ISO3354《封閉管道中清潔水流量測量-在滿(mǎn)道中和規則流動(dòng)條件下采用流速計的速度面積法》和ISO3966《封閉管道中流體流量測量-采用皮托靜壓管的速度-面積法》。

    上世紀60年代日本就曾在水電站現場(chǎng)用流速儀13個(gè)測量點(diǎn)，校準DN1000大管徑電磁流量計。日本當時(shí)還沒(méi)有具備符合要求的大型水流量標準裝置。

    江都泵站曾按ISO標準規定位置布置26臺流速計，測量大型水泵3.5mxl.5m矩形出水流道平均流速，以校準用差壓法測量泵進(jìn)水道差壓的流出系數，測量流速在1.2~1.3m/s之間。期間還用食鹽濃度法校準流速計面積法，在實(shí)驗過(guò)程中再用食鹽濃度法復核流速計面積法的數據^[3]。量值傳遞流程如圖2所示。

圖2 量值傳遞流程

    2 在線(xiàn)驗證

    當在線(xiàn)校準和比對兩種方法都不能實(shí)施時(shí)，只能退而采用在線(xiàn)驗證，其方法大體上有：物料平衡法、熱量平衡法、設備能力估算法和其他參量評估法等。

    2.1 物料平衡法

    本方法是利用測量系統中流入系統各流量計所測流量值的總和與流出系統各流量計測量值的總和相等，或其差值在合理范圍內。例如應用于工程交工驗收時(shí)驗證相關(guān)流量計測量結果，水廠(chǎng)出水總管流量和各輸送分管總和之間的驗證。

    2.2 熱量平衡法

    將與被測流量相關(guān)聯(lián)的數據代入熱量平衡方程式，計算出流量理論值，以驗證流量測量值。例如鍋爐除氧器蒸汽消耗量以進(jìn)水流量和水升高溫度，以熱量平衡計算驗之[6]。

    2.3 設備能力估算法

    根據相關(guān)設備能力估算流量的一種方法。例如供水企業(yè)測量輸水泵揚程，按泵的揚程-流量（h一q）特征估算輸水量。

    2.4 其他參量評估法

    本方法是在檢驗流量計流量信號以外其他流量測量要素的參量，是否仍保持在原校準流量時(shí)的允許范圍內，評估驗證所測流量的準確性。如下文兩節所述檢驗電磁流量計的磁場(chǎng)強度和測量超聲流量計的聲速。

    3 電磁流量計在線(xiàn)驗證

    電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律測量導電流體流量的儀表，感應電動(dòng)勢E即流量信號正比于磁感應強度B和被測平均流速V，即

    E=KBDV           （1）

    式中：K為系數；D為測量管內徑，均為常值。

    若能證明測量要素B仍保持在原校準流量時(shí)的允差范圍內，且證明沒(méi)有影響流量信號的其他不利因素（如信號回路絕緣電阻下降），就可確認所測流量值仍保持原有性能的值。為證明B維持原值，應檢驗勵磁線(xiàn)圈電阻/絕緣以及勵磁電流，評估B；檢查電極信號電路絕緣良好，證明流量信號沒(méi)有被分流；測量電極接液電阻，評估電極表面狀況是否妨礙正常測量；檢查測量各部件絕緣電阻以判斷零部件劣化程度；再以模擬信號器及其他通用儀器檢查轉換器完好性。這些檢查項目如表1所示，文獻「7]有詳細的論述。

    基于這些由制造廠(chǎng)售后服務(wù)和現場(chǎng)應用維修工程師們積累的檢查和驗證方法，上世紀90年代中期國外開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用儀器和軟件，實(shí)施電磁流量計的在線(xiàn)檢查驗證，如商業(yè)名Calmaster（ABB公司），Magcheck（Krohne公司）的儀器，但只能用于本企業(yè)儀表。國內也有電磁流量計制造廠(chǎng)正在開(kāi)發(fā)這類(lèi)儀器。

表1 電磁流量計檢查項目

    中國城鎮供水協(xié)會(huì )設備工作委員會(huì )組織水廠(chǎng)、儀表制造廠(chǎng)、計量測試單位編寫(xiě)《電磁流量計在線(xiàn)校準規程》，規范水務(wù)業(yè)內電磁流量計在線(xiàn)檢證的操作，以解決當前裝用儀表的在線(xiàn)檢查驗證。

    4 超聲流量計的在線(xiàn)驗證

    超聲流量計是利用向流動(dòng)的流體發(fā)射超聲波，傳播時(shí)承載上流體流速的信息，予以接收并檢測流體流速的儀表。應用于石油和天然氣業(yè)儲運交接的超聲流量計是以超聲波在流體內順逆兩個(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(xiàn)判定運行中超聲流量計的測量準確性，在天然氣應用中人們利用實(shí)測聲速這一參量與從測量氣體或成分計算所得聲速（即從超聲流量計外獲得的參比量）進(jìn)行比較，驗證超聲流量計；在海上FPSO（floating production storage and offloading）平臺上利用兩臺串接超聲流量計，分析所測流量和聲速的統計數據，判析儀表的運行狀況。

    4.1 計算聲速和實(shí)測聲速比較、驗證^[8]

    自1998年美國燃氣協(xié)會(huì )提出ACA第9號報告《多聲道超聲流量計測量燃氣》以來(lái)，多聲道超聲流量計應用于天然氣交接計量日益增加。交接計量要求經(jīng)常檢查測量準確性。

    Daniel多聲道超聲流量計的用戶(hù)超聲接口CUI（customer ultrasonic interface）軟件對儀表作內部診斷，保證運行良好。然而這些檢查診斷還沒(méi)有與外界任何一個(gè)參比量比較；還不能判斷是否測量準確，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量，傳播時(shí)間和儀表輸出以及所測聲速也不準確，因此周期性地用外界獨立的參比聲速與超聲流量聲速比較，以檢驗超聲流量計性能。

    這一參比聲速是以氣相色譜儀所測天然氣成分和實(shí)時(shí)壓力/溫度按AGA第10號報告《天然氣和其他相關(guān)氣相烴的聲速》經(jīng)流量計算機計算獲得，與超聲測量計所測聲速連續地比較。

    圖3所示是由流量計算機分別計算每隔10min實(shí)測聲速和計算聲速平均值的記錄例。若兩者偏差超過(guò)設定值將發(fā)出信號，以引起注視。

圖3 實(shí)測聲速與計算聲速比較

    4.2 分析統計數據

    巴西IPT技術(shù)研究所發(fā)表文章，報道分析串接在FPSO平臺上兩臺相同型號DN600五聲道超聲流量計發(fā)送石油的流量和聲速統計數據，以驗證交接計量的運行狀況[9]。

    兩臺儀表中一臺日常貿易交接計量?jì)x表由另一臺參比表（master meter）核查和校驗。圖4所示是貿易計量?jì)x表流量在4000~5500m3/h時(shí)的校驗記錄，變化在原校準儀表系數的士0.180% 范圍內，最大變化為0.090%，標準偏差為0.045%。

圖4 貿易計量?jì)x表系數校驗記錄

    用兩臺相同型號超聲流量計核查校驗，結果顯示儀表系數在1.000附近變化很小，可解釋為兩種可能性：

    ① 計量?jì)x表和參比表兩者均沒(méi)有漂移，這是大多數的可能事件；
    ② 計量?jì)x表和參比表以相同方式和相同方向漂移，這在測量系統短時(shí)工作儀表系數變化0.090%的條件下，是小概率事件，或視為不可能事件。

    再從計量?jì)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定性，表2摘錄流量在5500m3/h時(shí)的聲速比，五個(gè)聲道兩儀表聲速比變化最大為0.006%。

    從上述統計數據分析說(shuō)明，在203年10月31日到2004年1月26日期間兩臺儀表運行是十分穩定的，重復性和再現性也沒(méi)有明顯變化。

表2 參比表和計t儀表聲速比值

    4.3 國家檢定規程中的規定

    我國, 正在制訂《超聲流量計檢定規程》的“附錄D超聲流量計的使用中檢測”也規定用聲速復核和驗證在線(xiàn)使用中的儀表，規定每次實(shí)驗流量點(diǎn)每條, 聲道的計算值與前一次計算一致，偏差不得大于3%。

    5 結束語(yǔ)

    流量?jì)x表可以行之有效地實(shí)行在線(xiàn)校準比對，電磁流量計和超聲流量計的實(shí)踐說(shuō)明，流量?jì)x表還可以通過(guò)檢查流量信號以外的相關(guān)參量，評估或驗證在檢定周期間的運行狀況，或據此延長(cháng)儀表的檢定周期。

    國外已有若干企業(yè)專(zhuān)業(yè)為客戶(hù)在線(xiàn)校準或驗證流量?jì)x表；國內也有若干單位正在開(kāi)展這類(lèi)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。