1 引言
液体流量仪表广泛应用于能源计量和节能减排中，是企业生产经营管理中的重要计量仪表，它的准确计量与企业的节约能源和成本核算有着非常密切的联系。但是限于各种条件，如不便拆卸、不能断流等情况，多数液体流量仪表无法按照检定规程要求定期拆下送实验室进行检定。如何解决在不影响液体流量仪表正常工作的前提下的量值溯源问题，是目前各企业和技术机构急需解决的计量技术难题。鉴于我国尚未制定出相应的行之有效的液体流量仪表在线校准的方法，也没有比在线流量计计量精度等级高三倍以上的标准流量仪表，因此目前常规的做法是采用便携式超声波流量计作为标准表进行在线比对。通过对以便携式超声流量计为标准表在线校准方法的介绍，提出解决液体流量仪表在线校准问题的一些思路，供计量同行参考。
2 工作原理
超声流量计比对法是目前使用最多的一种液体流量仪表在线校准方法，利用流速不同会使超声波在流体中传播的速度发生变化，通过分析计算改变的超声波信号，可以检测到流体的流速，进而可以得到流量值。按检测原理可分为多种，主要有时差法、多普勒法和声束偏移法[1]。
超声波流量计用于液体流量仪表在线校准主要采用的是时差法进行测量，以测量声波在流动介质中传播的时间与流量的关系为原理。通常认为声波在流体中的实际传播速度是由介质静止状态下声波的传播速度（cf）和流体轴向平均流速（υm）在声波传播方向上的分量组成。按图1所示，顺流和逆流传播时间与各量之间的关系是[2]：
利用式（1）得出流体流速的表达式：
式中：tup———超声波在流体中逆流传播的时间；
tdown———超声波在流体中顺流传播的时间；
L———声道长度；
cf——声波在流体中传播的速度；
υm———流体的轴向平均流速；
Ø———声道角。
3 在线校准方法
便携式超声流量计用于液体流量仪表的在线校准主要是采用的标准表比对法[3-11]，即在一定的时间内分别读取被检表和标准表的累计值（或瞬时值），分别按式（3）∼式（5）计算被校流量计的示值误差和重复性。
式中：qij-第i流量点第j次校准时的流量计示值（瞬时值或累积值）；
（qs）ij——第i流量点第j次校准时的标准表示值（瞬时值或累积值）；
Ei———被校流量计第i流量点示值误差；
（Er）i———被校流量计第i流量点重复性。
由于便携式超声流量计的准确度等级一般为0.5级，如检定超声探头管径与校准管径之比大于2或小于1/2，使用时标准流量计还应增加一个0.5%的附加误差，因而现场使用超声流量计最大允许误差一般为±0.5%∼±1.0%。目前在线使用的液体流量计（速度式、容积式、质量）绝大部分是准确度优于1.0级，同时便携式超声流量计受现场校准条件、介质状态、管道数据及安装的影响，在线校准结果偏差一般在±3.0%左右，有的甚至达到±5.0%，因而无法对被检仪表测量准确性进行有效判断。
鉴于直接采用标准表比对法无法对被校仪表测量准确性进行充分的判断，提出借鉴使用中检验的思想，即默认超声流量计和被校流量计之间存在系统差（主要由现场安装及使用条件引起的），在下次校准时尽量保持上次校准时校准条件（超声流量计安装位置、安装方式、参数设置及校准点等）下，比较两次校准的系统差是否存在变化。
3.1 技术要求
首先，在线校准用便携式超声流量计应具有国家法定计量检定机构出具的检定证书，其基本误差应不低于±0.5%，同时便携式超声流量计的安装、使用应符合JJG1030-2007超声流量计检定规程附录D的要求。
其次，在线校准用其他辅助设备，如卷尺、测厚仪、秒表等计量器具均应具有有效的检定证书或校准证书，被校流量计应附有使用说明书，周期校准的流量计还应有前次的校准或检定证书。
最后，现场校准时温度、湿度、外界磁场、机械振动等环境条件，应符合开展现场校准的环境条件要求，同时明确测量介质及工作状态、介质温度等工况参数，了解被校流量仪表工作状态和参数设置，确认可以开展现场校准。
3.2 测量过程及计算方法
（1）管径测量。用量具分别在换能器安装位置附近的同一截面上大致等角分布测量n次外直径，或测量n次外周长推算出外直径，其平均值D按式（6）计算：
式中：n———测量次数，n≥4；
Di———第i点测得的管道外直径或推算出的外直径。
（2）壁厚测量。在换能器安装位置均布5个点，使用测厚仪测量管道壁厚，并取其平均值。对无法测量的参数，如管道材质、衬里材料、厚度等，根据现场技术资料查明并确认。
（3）标准表安装。将上述管道参数输入标准表内，得出换能器安装距离L。在安装标准表管段上划线定位，确定换能器的位置。清理已定安装位置附近的管壁，将管壁上的油漆、铁锈、污垢等清除干净，露出管道材质，打磨光滑。在换能器表面均匀涂以耦合剂，将换能器上标志对准安装位置，使其发射面与管壁紧密接触，用紧固件将换能器固定在管道上。将换能器信号传输电缆连接到转换器上，按要求将信号调试到最佳状态。
（4）零点检查。具备停流条件的管道，检查流量计的零点流量；不具备静态零点检验设定条件时，校准前可对标准表进行动态零点检验设定。
（5）校准点及次数。根据现场实际情况确定校准流量点，每个流量点校准3次。现场无法调节流量时可以采用在不同的时段进行校准，流量点一般选择1～3个，且在一次实验过程中，瞬时流量的最大变化不超过5%。每次校准时，同时读取并记录流量计和标准表的示值，若读取的数值为瞬时值，则至少读取20个数值，取其平均值；若读取的数值为累积值，则应保证大于最小读数的1000倍或读取至少20min的累积值。
（6）测量偏差。与标准流量计相比，流量计的测量偏差[2]为：
式中：———流量计各校准点测量偏差中最大值；
Fi———本次校准得到的第j校准点流量计系数平均值；
F0i———第一次校准得到的第j校准点流量计系数平均值。
流量计系数[2]的计算方法如下：
式中：Qsij———第i校准点第j次校准标准流量计示值；
Qij———第i校准点第j次校准被检流量计示值；
Fij———第i校准点第j次校准的流量计系数。流量计的重复性按式（5）计算。
（7）校准结果处理。被校流量计的测量偏差E和重复性Er应分别满足式（11）和式（12），否则应将流量计送实验室进行检定或校准。
式中：σs———标准表最大允许误差；
σm———被校流量计最大允许误差。
4 数据实例分析
现以一台口径为DN150mm的电磁流量计为例，流量计在线校准基本信息见表1。在管道参数、被测介质、安装方式等设定参数均相同的前提下，分别于2008年1月和12月进行2次在线校准，校准数据分别见表2和表3。
以第一次校准平均系数作为F0i，以第二次校准平均系数作为Fi，则前后两次校准流量计的测量偏差见表4。
由于检定超声探头管径（DN50）与校准管径（DN150）之比小于1/2，因而使用时标准流量计还应增加一个0.5%的附加误差，即σs=±1.0%，σm=±0.5%。按式（11）、式（12）对校准结果进行判断，即流量计测量偏差流量计重复性可以继续使用。
5 结束语
从上述数据实例分析中可以得出：虽然现场校准时示值误差较大，但两次校准的流量测量偏差却较小，从而说明被校流量计测量准确性未发生明显变化，可以继续使用，无需送实验室进行检定或校准，从而为液体流量仪表在线量值溯源提供了一条简便的途径。
尽管采用使用中检验的思想为流量计的在线校准提供了一个可操作的办法，但这其中依然存在一些问题，如：
（1）被校流量计必须首先在实验室实流检定合格后，安装到管路上投入使用后的一个月内进行第一次校准，以后按至少1次/年的周期进行再次校准。
（2）随着计算机技术在超声测速方面的应用，超声流量计对测量管道、校准介质、现场环境及安装的适应性更强了，但上述因素依然是影响测量准确性的关键[5-7]，如何将这些因素对校准结果的影响从定性分析到定量计算仍然需要很长的路要走。
（3）现场校准中，对测量数据的采集还只能靠人工读取，从而对校准结果引入不确定性因数。
参考文献
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