大口径流量计的校验和定期检定，一直困扰着供水行业。目前，供水行业应用的流量计管径为300mm～1500mm，甚至口径更大。由于其测量的直径和流量大，对标准流量计、水泵的功率以及标准容器都有更高的要求。随着人们对水资源认识的提高，以及供水行业对经济核算的重视，使得大口径流量计检定问题的解决越来越突出。
在供暖系统中，已逐渐地采用了大口径热能表，但我国还没有大口径热能表检定的标准装置，而且生产大口径热能表所要求的技术也越来越高。热能表由流量传感器、配对温度传感器和计算器3个部分组成，根据检定的原理，热能表检定主要指对流量测量装置即流量计的检定[1]。此外，在大口径热能表检定时需要大口径的流量计作为标准表，一般使用电磁流量计，这样可以提高热能表的检定准确性。
电磁流量计的测量精度高（0.5%、0.3%）；测量管道内无障碍物与可动部件，流体流经仪表无压损；测量范围较宽，满度值时在0.5-15m/s内选定，最大测量口径达到3000mm，所以电磁流量计被公认为理想的大管径计量仪表[2-4]。
1 流量计检定方法
流量就是单位时间内流体通过一定截面积的量，这个量如用流体的体积表示就为体积流量；平均流量就是在测量时间内流量的平均值。体积流量和平均流量可表示为
式中：A为流体流过的截面积；V（t）为流体通过A上的微小面积（dA）的速度，τ1，τ2为稳流时开始测量与结束测量的时间。
大口径流量计的检定装置包括流体源、稳压装置、管路系统、计时器、标准容器以及换向器等附设备。工作原理：将被检流量计安装到装置上，启动液体循环系统，使液体流经被检流量计和标准流量计，同步操作被检流量计和标准流量计，比较两者的输出流量值，从而确定被检流量计的计量准确度和重复性[5-7]。
根据使用标准量具的不同，检定方法分为容积法、质量法和标准表法[5-7]。容积法是通过标准容器测量一段时间内工作量器中的液体体积流出量。质量法是通过天平称量一段时间内容器中的液体质量，从而计算出流量。标准表法是以标准流量计为标准器具，使流体在相同时间间隔内连续通过标准流量计和被检流量计，比较两者的输出流量值，从而确定被检流量计的计量性能[8-9]。
容积法[10-11]分为静态容积法和变水头法（动态容积法）。静态容积法将水塔和标准容器分开，压头恒定，静态读数；变水头法将水塔和标准容器分开，压头一直变小，动态读数。容积法的缺点是设备庞大，标准容器的容积随流量计口径增大而增大、随检定时间的增长而增加。标准表法克服了以上缺点，在相同流量下，标准表法应用容器的容积较容积法小，而且检定的时间可以加长。对于分辨率不高的被检表来说，加长检定时间是一种有效减小检定误差的方法。一般的检定装置采用标准表法进行检定，对于检定要求高的仪表采用标准表法加质量法进行检定，以保证测量的准确性。
2 流量计检定
计量器具在安装使用前必须进行首次强制检定，这就需要进行实验室检定。在使用过程中还需要对其进行后续检定，也就是在线检定，以保证其测量的准确性[12-17]。
2.1 实验室检定
实验室大口径流量计检定的标准装置采用恒水头式结构，原理图如图1所示。
此装置的水塔起溢流稳压作用，水头高30m，容积为1000m3，符合大口径仪表的检定要求，最大流量为15000m3/h；水池容量为2000m3；标准流量计采用E-magDN1000mm的智能电磁流量计；标准直管段DN1000mm总长50m，被检流量计的试验管段总长为36m，满足电磁流量计检定时对直管段的要求；装置精确度为0.15%；测控系统采用工控机控制，用数据采集卡采集流量、压力等测量参数，编写软件对被检表进行检定，并对误差进行修正[18-19]。
根据JJG164-2000《液体流量标准装置检定规程》的规定，标准设备和仪器的不确定度应优于被检装置的不确定度。因此标准流量计应具有较高的精确度、可靠性良好、流量范围宽等特点，比较各种流量计，选择电磁流量计作为标准表。因为电磁流量计公称通径范围大，从DN3到DN3000；流体最高流速可达15m/s；转换器采用功耗低、零点稳定、精确度高的新颖励磁方式，精度可达±0.3%或
±0.5%，流量范围度可达1500∶1；转换器可与传感器组成一体型或分离型，采用16位微处理器，易于编程，设定参数方便，应用可靠性强的表面安装技术（SMT），可进行自诊断；电磁流量计为双向测量，有3个积算器，有脉冲、电流、数字通讯等多种输出信号，满足二次仪表测量和数据采集设备的通信[20]。
选择智能电磁流量计作为标准表，并用标准表法对该仪表在不同流量下测量多个流量点。电磁流量计随着流量的增大线性减小，误差减小。
2.2 现场检定
流量计的现场工作条件与实验室校验的工作条件相差很大，流量计准确度偏离无法确定[21]。
现场检定同样也应用标准表法进行检定，选择便携式超声波流量计作为标准表，便携式超声波流量计是一种外夹便携式的流量计量仪表，具有精度高、重复性好、灵敏度高、安装使用方便、能在露天恶劣环境下工作等特点，比较适用于大口径流量计的现场检测和校准。经比较，选用美国宝丽森DCT-7088电磁流量计，它基本满足上述要求，此流量计采用了先进的数字处理技术和声波时差探测法，可以降低测量介质中固体或气泡对测量精度的影响。配有“TimeGATE”信号分析软件，可利用微软Win2dows风格图形界面形式来设置流量计并进行全面的波形分析，来取代对流量计的直接设置和操作[22]。
其原理是：在现场大口径流量计所在管道上安装一个准确度较高的便携式超声波流量计作为标准表，同时记录被检表和标准表的流量，以标准表作为标准值，计算被检流量计的误差，进而调整被检流量计系数，使被检电磁流量计与便携式超声波流量计示数相一致，以达到检测、校准现场流量计的目的。其计算公式如下：
（3）
式中：f1为被检表原来的系数；v被为被检表的平均流速，m3/h；v标为标准表的平均流速，m3/h；f2为被检表比对后的调整系数。
建立图2所示大口径流量计检定校准系统[22]。
使用便携式超声波流量计可实现不断流测量，设备便于携带，安装方便；流体中不插入任何元件，对流速无影响，无压损，稳定性好；外夹式探头，可移动安装测量；能用于任何液体，特别是具有高粘度、强腐蚀、非导电性等性能液体的流量测量，也能测量气体的流量；量程比较宽，可达5∶1；输出与流量之间呈线性等优点。但是使用便携式超声波传感器也存在一些缺点：当被测液体中含有气泡或有杂音时，将会影响测量精度，故要求变送器前后分别有10D和5D的直管段，而现场实际情况难以确定，人为因素影响大，现场流量不易控制，难以进行全量程测试。此外，结构复杂，成本较高。
3 检定结果的判定
根据JJG643-2003《标准表法流量标准装置》的规定，标准装置分别按定点使用和非定点使用两种情况进行计算[9，12]。
（1）标准表用于定点测量时，标准不确定度为仪表系数重复性的不确定度。其值为各流量点标准不确定度的最大值。各个检定点单次测量的A类不确定度（Er）i为
（4）
式中：为第i个检定点的修正值属于A类不确定度；为第i个检定点的平均流量；ta（范围因子）为置信水平，取值为0.95；自由度为（n-1）的t分布系数，n为各点检定次数。
标准流量计在自由度为n-1的合成不确定度E为
（5）
式中：En为标准表的不确定度（未指明自由度）；Er为测量点标准表的最大不确定度。
（2）当标准流量计作为非定点使用时，标准表不确定度为线性内差引入的不确定度，其修正值计算公式为
（6）
式中：（Ec）i为第i次检定的修正值；Qi为第i次检定时流量计的体积流量；（Qa）i为第i次检定时标准表的体积流量。
利用曲线拟合来修正标准表的固有不确定度，此时，标准表的实际流量Qp为
（7）
式中：Qm为测量值；Y为某一测量点所对应的修正曲线值，常用三次方程表示。
用最小二乘法求出标准表修正公式的A类不确定度Er。这时标准表在自由度为n-1时的合成不确定度E为
（8）
标准表为电磁流量计时，Er检定为0.5%（不加修正），如果En<0.1%，经过修正后的标准表的合成不确定度为0.1%。
利用标准表对被检表进行比对测试时，按误差合成理论进行判定，计算公式为
（9）
式中：q0为标准表的平均流量；q1为被检表的平均流量。
只有当时，才认为被检流量计合格。U0为标准表的总不确定度；U1为被检表的准确度等级。
当利用标准表对被检表进行现场校准时，需用标准表的平均流量或流速对被检表进行系数修正，修正公式见公式（3）。
4 不确定度分析
4.1 数学模型的建立
流量计的瞬时流量与流体的流速和流过管道的截面积有关[21-29]。超声波流量计的瞬时流量数学模型公式为
（10）
式中：q为流过超声波流量计的流量；v为流速；r1为管道外径（半径）；r2为管道壁厚。
4.2 标准表不确定度
由公式（10）可知需要测量的信号有管道的外半径r1、壁厚r2以及流量计的流速v，标准表测量的不确定度也就是这3个测量信号的合成不确定度。
由分别对r1、r2、v求得偏导数得：
合成方差为
合成相对不确定度为
（1）管道外径测量的不确定度u（r1）
采用Ⅰ级钢卷尺，长度L=5m的允许误差为δ=±（0.1+0.1L）=0.6mm。测量周长后转换为外径r1，其标准差按均匀分布，按标准不确定度为B类分析，则r1不确定度为
其可靠性高，故自由度=∞
（2）管道壁厚测量的不确定度u（r2）
超声波测厚仪允许测量误差δ=0.3mm，其标准差按均匀分布，按标准不确定度为B类进行分析：；测厚仪本身的分辨率故管道壁厚测量的合成不确定度为
其可靠性高，故自由度=∞
（3）超声波流量计的不确定度
在q=130m3/h时，进行N=50次测量得到数据为q1=130.4m3/h，n1=2次；q2=130.5m3/h，n2=7次；q3=129.9m3/h，n3=18次；q4=129.3m3/h，n4=15次；q5=129.5m3/h，n5=8次。故得：
故超声波流量计流速的相对不确定度为
测量次数为n=50时的自由度为ν（V）=n-1=49。当测量次数增加时ν（V）=∞。
4.3 合成不确定度与扩展不确定度
当现场测量管径为r=1000mm时，
合成不确定度的有效自由度为
当置信概率取P=0.95时，t0.95（∞）=1.96，则扩展不确定度为
通过对标准表超声波流量计不确定度的分析，得出此流量计可以作为准确度小于1.5%的大口径流量计进行现场检定的标准表，也可用于同级流量仪表的现场检定。
5 现场检定需注意的事项
（1）了解现场环境以及被检管线的材质、管外径、壁厚、流体以及流体温度等相关量的数值，现场检定时采用精度高的测厚仪（e=±0.1%）、软尺（e=±1mm），以确保测量的准确度[30-32]。
（2）标准表安装在直管段，转换器装在上游直管段为10D，下游直管段为5D的位置，提高流速。避免上下游扰动源（泵、阀、弯头），必要时应考虑加装整流器。当上游存在泵、阀等设备时，直管段的长度最好为30D。标准表不能安装在管内含有气体的位置，气泡会使超声波信号减弱，而影响到测量精度。转换器尽量采用V型法安装，保证声程在管径平面上，提高测量精度。如果V型法安装
找不到信号，可采用Z型法[35]。
（3）对于直管段，超声波流量计的发射器要安装在管侧面的正侧线上，以避免沉淀物或气泡的影响。发射器与管道必须用声学性好的黄油或凡士林耦合剂充分耦合。流量计测量信号时采用静态调零或动态调零，以消除零点漂移[36]。
（4）检定过程中，流速不应小于0.2m/s，标准表与被校表的数据采集同步进行，及时根据测量误差调整被检表的系数[37-38] 。根据情况设定适当的采集时间间隔，尽可能延长采集时间间隔[39]。利用软件实现数据的保存、显示及打印，这样可以排除人工读数带来的附加误差，提高现场校准和检定的准确度。
（5）检定结果受压力与温度的影响，检定时应控制室内及现场温度，使检定系统温度场稳定[40]。尽量缩短流量计出口与体积管入口之间的连接管道距离，以减小管道摩阻引起的压损和温差，使流量计与体积管的压力和温度尽可能保持一致。
6 结论
由于大口径流量计多数是电磁流量计或插入式超声波流量计，仪表结构大多为法兰连接或者是插入管道，只有在停流时才允许拆卸，且拆装和运输送检十分麻烦；另一方面，流量计的现场工作条件与实验室校验的工作条件相差很大，流量计准确度偏离无法确定。采用便携式超声波流量计进行大口径流量计在线测量，方便了供水企业的计量工作，也有效的降低了资金的消耗。在现场检定的误差分析及修正方面可进一步开展研究工作。
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