浮子流量計(jì)的在線(xiàn)校準(zhǔn)與不確定評(píng)定
1 前言 目前,工業(yè)領(lǐng)域面臨著能源過(guò)度的問(wèn)題,節(jié)能減排已成為大型生產(chǎn)企業(yè)急需解決的課題。流量計(jì)作為生產(chǎn)線(xiàn)的重要計(jì)量器具,不僅是直接反映生產(chǎn)能耗的基礎(chǔ)設(shè)備,也是控制能耗的首要環(huán)節(jié)。由于生產(chǎn)計(jì)劃,許多企業(yè)的流量計(jì)無(wú)法被卸下而需要在線(xiàn)校準(zhǔn)。超聲波流量計(jì)作為一種精度高、非接觸式、易攜帶安裝的計(jì)量器具,廣泛被應(yīng)用于流量計(jì)的在線(xiàn)校準(zhǔn)。因此,本文介紹如何應(yīng)用超聲波流量計(jì)在線(xiàn)校準(zhǔn)浮子流量計(jì)并對(duì)其過(guò)程進(jìn)行測(cè)量不確定度的評(píng)定。 2 超聲波流量計(jì)工作原理 超聲波在流體中的傳播速度與流體的流速有關(guān)。沿流體的順流方向,超聲波的傳播速度增大;逆流方向的傳播速度減小。同一超聲波沿流體不同流向產(chǎn)生了時(shí)間差,該差值與流體的流速存在一定的關(guān)系。假設(shè)直段管道內(nèi)有2個(gè)超聲波傳感器,傳感器1位于流體上游,傳感器2位于流體下游,則傳感器之間存在如下關(guān)系: (1) (2) 式中:L—兩個(gè)超聲波傳感器之間的直線(xiàn)距離; T12—沿流體逆向,超聲波從傳感器1傳播至傳感器2所用的時(shí)間; T21—沿流體順向,超聲波從傳感器2傳播至傳感器1所用的時(shí)間; C—超聲波在靜止流體中的傳播速度; x—L在管道中沿管道軸向的分量。 根據(jù)上式可知:當(dāng)傳感器的位置和管道幾何參數(shù)為已知量,則流體的流速正比于時(shí)間項(xiàng)。 3 浮子流量計(jì)在線(xiàn)測(cè)量 3.1 校準(zhǔn)環(huán)境與安裝條件 超聲波流量計(jì)是根據(jù)超聲波在管道內(nèi)傳播時(shí)間差反映流體流速的,所以被測(cè)段的流體狀態(tài)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大。測(cè)量時(shí),應(yīng)避免被測(cè)段的流體處于湍流狀態(tài)。一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn): (1)計(jì)量現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)無(wú)明顯振動(dòng),周?chē)鸁o(wú)電磁干擾。 (2)探測(cè)器安裝位置的上游直管段長(zhǎng)度至少為管徑的10倍以上,下游的直管段長(zhǎng)度至少為管徑的5倍以上;上游30倍管徑的沿程內(nèi)應(yīng)沒(méi)有擾流因素,比如泵、閥引起的流速分布不均勻。 (3)管道始終充滿(mǎn)流體,流體內(nèi)不能含有大量的氣泡或異物。 (4)對(duì)于水瓶管道,為了避免滯留空氣或沉積物影響測(cè)量結(jié)果,在水平面的±45°內(nèi)安裝探測(cè)器。避免將探測(cè)器安裝在管道變形、凸起或焊接部分。 (5)如管道表面有涂層、腐蝕班或是不平整,用油漆稀釋劑和砂紙清除。 (6)查看被檢的浮子流量計(jì)是否有泄漏、振動(dòng)的情況,刻度是否清晰,便于觀察。 (7)對(duì)于1.0和1.5級(jí)的浮子流量計(jì),安裝傾斜角度不應(yīng)超過(guò)2°;2.5級(jí)及以下的浮子流量計(jì)不應(yīng)超過(guò)5°。 3.2 探測(cè)法的選擇 根據(jù)探測(cè)器的分布位置,探測(cè)法分為V法和Z法。V法:兩探測(cè)器均處于管道外同側(cè),探測(cè)器之間連線(xiàn)與管道軸線(xiàn)平行。Z法:兩探測(cè)器處于管道外兩側(cè),兩探測(cè)器之間連線(xiàn)與管道軸線(xiàn)交叉。在下列情況下使用Z法: (1)需要節(jié)省安裝空間(Z法的安裝空間約為V法的一半)。 (2)需要測(cè)量污水等渾濁的流體。 (3)管道內(nèi)有砂漿襯里或是較厚水垢。 3.3 測(cè)量步驟 (1)確認(rèn)管道的內(nèi)、外徑;對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)的管道,用游標(biāo)卡尺和測(cè)厚儀等工具測(cè)量管道的外徑與壁厚。 (2)在儀表中輸入相關(guān)參數(shù):管道內(nèi)、外徑;管道材料;流體介質(zhì);探測(cè)法類(lèi)型等。 (3)待儀表調(diào)零后確定探測(cè)器安裝距離。 (4)在探測(cè)器表面涂上適量硅脂,根據(jù)“安裝條件”安裝探測(cè)器,查看超聲波信號(hào)接受是否正常。 (5)待被檢流量計(jì)與超聲波流量計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后,讀取兩儀表的流量值,計(jì)算示值誤差。 3.4 注意事項(xiàng) (1)當(dāng)超聲波流量計(jì)信號(hào)異常或是無(wú)信號(hào)時(shí),查看管道表面是否有涂層、探測(cè)器是否緊貼管道表面。在排除上述問(wèn)題但仍信號(hào)異常的情況下,查看現(xiàn)場(chǎng)周?chē)欠裼须姶鸥蓴_,比如:大功率水泵、變頻器、變壓器等。 (2)當(dāng)測(cè)量值與被檢示值存在明顯偏差時(shí),查看探測(cè)器安裝位置是否合理。在滿(mǎn)足安裝條件的情況下,盡可能對(duì)安裝位置做調(diào)整:同一條管道布置有高低時(shí),探測(cè)器安裝在較低的管路上;探測(cè)器盡量不要靠近管路的終端;盡量選擇流體向上流動(dòng)的管路安裝探測(cè)器;管路內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重,更換管路。 (3)當(dāng)測(cè)量值存在明顯波動(dòng)時(shí),適當(dāng)設(shè)置阻尼參數(shù),延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。 (4)當(dāng)流量發(fā)生變化但測(cè)量值保持不變時(shí),檢查管道規(guī)格是否正確;探測(cè)器是否安裝在焊接部分;探測(cè)器安裝尺寸是否正確;探測(cè)器表面是否涂有足夠的潤(rùn)滑脂;嘗試更換探測(cè)法類(lèi)型;避免使用加長(zhǎng)電纜。 4 不確定度評(píng)定實(shí)例 本文利用超聲波流量計(jì)在線(xiàn)校準(zhǔn)浮子流量計(jì),流量范圍:(16~160)L/min,流體介質(zhì)為水。 4.1 測(cè)量模型 利用超聲波流量計(jì)在線(xiàn)計(jì)量浮子流量計(jì),相當(dāng)于采用標(biāo)準(zhǔn)表法進(jìn)行計(jì)量。標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)串聯(lián)在現(xiàn)有的流量管道上,刻度狀態(tài)相同,流量無(wú)需經(jīng)過(guò)修正。示值誤差根據(jù)下式: (3) 式中:qm—被檢浮子流量計(jì)的流量顯示值,L/min; qv—標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)的流量實(shí)際值,L/min; qmax—被校流量計(jì)的上限刻度值,L/min。 標(biāo)準(zhǔn)不確定度: 靈敏系數(shù):c1=1/qmax;c2=-1/qmax 4.2 不確定度的來(lái)源: (1)輸入量qm的不確定度 測(cè)量的重復(fù)性引入的不確定度:u(qm) 浮子流量計(jì)在80L/min時(shí),對(duì)被檢流量計(jì)測(cè)量10次,結(jié)果如表1。 表1 測(cè)量平均值 ,標(biāo)準(zhǔn)方差S=0.13L/min,u(qm)= 。 (2)輸入量qv的不確定度: ①測(cè)量重復(fù)性或儀表分辨力引入的不確定度:u1(qv) 超聲波流量計(jì)在80L/min時(shí),對(duì)被檢流量計(jì)測(cè)量10次,結(jié)果如表2。 表2 測(cè)量平均值 ,標(biāo)準(zhǔn)方差S=0.022L/min,u1(qv)= 超聲波流量計(jì)分辨力引入的不確定度: 儀表的分辨力為0.001L/min;按均勻分布計(jì)算k= ,則u1(qv)=0.00058L/min 在兩者中去較大者,0.007L/min>0.00058L/min,則u1(qv)=0.007L/min ②超聲波流量計(jì)示值誤差引入的不確定度: 示值誤差為流量讀數(shù)的0.26%,按均勻分布計(jì)算k= 則u1(qv)=83.007×0.26/ =0.125L/min 由以上數(shù)據(jù)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為: ,其擴(kuò)展不確定度為:U=k×uc=0.2%(k=2) 5 結(jié)果分析 由以上不確定度的結(jié)果可以得出:測(cè)量不確定度的來(lái)源主要是超聲波流量計(jì)的示值誤差,其次是浮子流量計(jì)的測(cè)量重復(fù)性,最小的是超聲波流量計(jì)的測(cè)量重復(fù)性。 雖然不確定度的來(lái)源主要是標(biāo)準(zhǔn)器的精度,但是測(cè)量前期的準(zhǔn)備工作,包括:現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與校準(zhǔn)條件的確認(rèn),探測(cè)器安裝位置與探測(cè)法的選擇等。這些因素也很大程度影響了測(cè)量結(jié)果。
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