王 黎，何英杰，王 成，石正國

(長江科學(xué)院a.工程質(zhì)量檢測(cè)中心;b.科技成果推廣及信息中心武漢 430010)

水量計(jì)量是實(shí)行計(jì)劃用水、節(jié)約用水、按量征收水資源費(fèi)、實(shí)現(xiàn)水資源科學(xué)配置的重要基礎(chǔ)性工作。《取水許可管理辦法》第四十二條規(guī)定:單位或者個(gè)人應(yīng)當(dāng)安裝符合國家法律法規(guī)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的計(jì)量設(shè)施，對(duì)取水量和退水量進(jìn)行計(jì)量，并定期進(jìn)行檢定或核準(zhǔn)，保證計(jì)量設(shè)施正常使用及量值的準(zhǔn)確、可靠。

江河管道取水計(jì)量設(shè)施主要采用電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)。流量計(jì)運(yùn)行工況是否滿足規(guī)定要求，需要定期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量校準(zhǔn);而開展現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)表每年應(yīng)送到更高一級(jí)計(jì)量精度的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行量值溯源。本文以近年開展的“管道取水流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)研究”專題為基礎(chǔ)，介紹了應(yīng)用測(cè)量不確定度原理提出的流量計(jì)量量值溯源合格性評(píng)定方法，為編制管道取水流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量校準(zhǔn)方法標(biāo)準(zhǔn)提供了技術(shù)支撐。

1 流量計(jì)量量值溯源工作原理

1.1 TP3流量計(jì)量量值傳遞裝置

目前國內(nèi)液體流量計(jì)校準(zhǔn)用的量值傳遞裝置，其工作原理一般采用靜態(tài)容積法、靜態(tài)質(zhì)量法和變水頭動(dòng)態(tài)容積法。TP3靜態(tài)質(zhì)量法流量計(jì)量量值傳遞裝置，是我國水利水電系統(tǒng)在中國水利水電科學(xué)研究院高精度水力機(jī)械模型通用試驗(yàn)臺(tái)上建立的唯一可進(jìn)行水輪機(jī)、水泵的各項(xiàng)性能試驗(yàn)及流量計(jì)的正、反向原位校準(zhǔn)［1］。流量校準(zhǔn)利用安裝在2根測(cè)量管道上的2個(gè)大小不同的ROSEMOUNT8705TSE型電磁流量計(jì)進(jìn)行;流量校準(zhǔn)時(shí)循環(huán)系統(tǒng)開敞運(yùn)行，循環(huán)并同時(shí)記錄注水時(shí)間，以此計(jì)算通過電磁流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)水流量。TP3流量計(jì)量量值傳遞裝置經(jīng)合法溯源到國家基準(zhǔn)后是可用于校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)使用的標(biāo)準(zhǔn)表。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)表量值溯源原理

用高精度外夾式超聲流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表與TP3試驗(yàn)臺(tái)流量計(jì)量量值傳遞裝置所用的電磁流量計(jì)相串聯(lián);流體依次流過二者，比較二者的示值，確定標(biāo)準(zhǔn)表的誤差，達(dá)到校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)表準(zhǔn)確性目的。如圖1所示［2］。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)表校準(zhǔn)示意圖Fig.1 Sketch of the method for the calibration of standard meter

TP3流量計(jì)量量值傳遞裝置輸出穩(wěn)定的水流，流量范圍在0～1.0 m3/s之間，管道中標(biāo)準(zhǔn)表安裝在TP3電磁流量計(jì)下游處，中間裝有流動(dòng)調(diào)整器，流量調(diào)節(jié)閥裝在標(biāo)準(zhǔn)表的后直管段上，通過自動(dòng)控制調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)流體的流量達(dá)到所需要的校準(zhǔn)流量值。流動(dòng)調(diào)整器包含抑制上游對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生較大影響的各種裝置。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)表傳感器安裝方法

通常定義標(biāo)準(zhǔn)表傳感器超聲波聲路數(shù)量等于1為Z法，聲路數(shù)量等于2為V法，聲路數(shù)量等于3為W法。奇數(shù)傳輸(對(duì)角線模式，Z法、W法)中，傳感器應(yīng)安裝在管路的相對(duì)側(cè);偶數(shù)傳輸(反射模式，V法)中，傳感器應(yīng)安裝在管路的同一側(cè)。如圖2所示。

傳輸路徑數(shù)的增加意味著測(cè)量精度的提高，但是傳輸距離的增加也會(huì)導(dǎo)致更大的信號(hào)衰減。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，管徑在DN500 mm以內(nèi)，用V法為宜;管徑在DN500～800 mm范圍，V法、Z法并存使用;管徑在DN800 mm以上，用Z法為宜。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)表流量采集

1.4.1 瞬時(shí)流量采集

標(biāo)準(zhǔn)表和TP3流量計(jì)量量值傳遞裝置進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)后，同時(shí)記錄兩者流量示值，每對(duì)數(shù)據(jù)在同一時(shí)刻讀取，間隔要求不大于2 s，每個(gè)流量級(jí)至少讀取20個(gè)數(shù)值作為1組數(shù)據(jù)。

1.4.2 累積流量采集

標(biāo)準(zhǔn)表和TP3流量計(jì)量量值傳遞裝置進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)后，同一時(shí)刻分別記下雙方流量累積起始值;經(jīng)過10 min后，同一時(shí)刻分別記下兩者流量累積止碼值。每次采集，標(biāo)準(zhǔn)表和TP3裝置的流量累積值等于止碼值減去起始值。每個(gè)流量級(jí)讀取次數(shù)不少于3次。

1.5 標(biāo)準(zhǔn)表量值傳遞附加誤差

根據(jù)《超聲流量計(jì)》(JJG1030—2007)要求，標(biāo)準(zhǔn)表應(yīng)盡量在與使用管徑相同的管徑下進(jìn)行標(biāo)定。如使用管徑與標(biāo)定管徑之比大于2或小于1/2，標(biāo)準(zhǔn)表使用時(shí)應(yīng)增加0.5%的附加誤差。

2 流量計(jì)量量值溯源

2.1 標(biāo)準(zhǔn)表示值誤差計(jì)算

單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)表示值誤差、流量點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)表示值誤差、標(biāo)準(zhǔn)表相對(duì)示值誤差和標(biāo)準(zhǔn)表重復(fù)性計(jì)算公式為［3］

(1)單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)表示值誤差

式中:qij為第i流量點(diǎn)第j次校準(zhǔn)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)表示值(瞬時(shí)值);(qs)ij為第i流量點(diǎn)第j次校準(zhǔn)時(shí)的TP3管道流量示值(瞬時(shí)值);Eij為第i流量點(diǎn)第j次校準(zhǔn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)表相對(duì)示值誤差。

(2)流量點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)表示值誤差

式中，Ei為標(biāo)準(zhǔn)表第i流量點(diǎn)相對(duì)示值誤差。(3)標(biāo)準(zhǔn)表相對(duì)示值誤差

(4)標(biāo)準(zhǔn)表重復(fù)性

式中，(Er)i為標(biāo)準(zhǔn)表第i流量點(diǎn)重復(fù)性。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量偏差技術(shù)要求

(1)流量校正系數(shù)計(jì)算

式中:qsij為第i流量點(diǎn)第j次校準(zhǔn)TP3流量示值;qij為第i流量點(diǎn)第j次校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)表流量示值;Fij為第i流量點(diǎn)第j次校準(zhǔn)的流量校正系數(shù)。

(2)與TP3裝置相比，標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量偏差為［4］

式中:Fi為本次檢驗(yàn)得到的第i流量點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)表流量校正系數(shù)平均值;F0i為上次檢驗(yàn)得到的第i流量點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)表流量校正系數(shù)平均值;ei為標(biāo)準(zhǔn)表第i流量點(diǎn)測(cè)量偏差。

3 流量計(jì)量量值溯源合格性評(píng)定分析

3.1 合格性評(píng)定Ⅰ

標(biāo)準(zhǔn)表校準(zhǔn)后的合格性評(píng)定，即為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)表的示值誤差是否在最大允許誤差范圍內(nèi);若在此范圍為合格，否則判定為不合格。但是，在合格性評(píng)定時(shí)還要考慮TP3流量計(jì)量量值傳遞裝置引入的不確定度分量，不確定度分量引入會(huì)有待定區(qū)存在，若不考慮待定區(qū)，就會(huì)存在誤判的風(fēng)險(xiǎn)［5－6］。

(1)TP3測(cè)量不確定度引入后標(biāo)準(zhǔn)表合格性評(píng)定。

設(shè):MPEV表示標(biāo)準(zhǔn)表的最大允許誤差(MPE)的絕對(duì)值;E為標(biāo)準(zhǔn)表的相對(duì)示值誤差;U95為TP3流量計(jì)量量值傳遞裝置的擴(kuò)展不確定度，P=95%、k=2。

(2)TP3測(cè)量不確定度忽略時(shí)標(biāo)準(zhǔn)表合格性評(píng)定。

當(dāng)TP3流量計(jì)量校準(zhǔn)裝置測(cè)量不確定度與標(biāo)準(zhǔn)表示值的最大允許誤差的模MPEV之比達(dá)到1/3時(shí)，在合格評(píng)定中約定，可以忽略不計(jì)TP3測(cè)量不確定度的影響。

3.2 合格性評(píng)定Ⅱ

由于環(huán)境、人員、設(shè)備安裝等諸因素導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)表示值誤差大于其最大允許誤差，則按標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量偏差方法評(píng)定。

標(biāo)準(zhǔn)表的測(cè)量偏差e和重復(fù)性Er分別滿足公式，則判定為合格。σs為TP3流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置最大允許誤差，σt為標(biāo)準(zhǔn)表最大允許誤差。

4 實(shí)例分析

4.1 合格性評(píng)定Ⅰ實(shí)例分析

2012年5月，在中國水利水電科學(xué)研究院高精度水力機(jī)械模型TP3流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置上對(duì)F601［7］外夾式超聲流量計(jì)(作為標(biāo)準(zhǔn)表)進(jìn)行流量量值校準(zhǔn)，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)表是否滿足技術(shù)參數(shù)要求。TP3流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置擴(kuò)展不確定度為U=0.035 6%，k=2;最大允許誤差為 ±0.2%;校準(zhǔn)管道DN500，不銹鋼管壁厚度8 mm。標(biāo)準(zhǔn)表最大允許誤差 ±0.5%(最優(yōu)條件下校準(zhǔn)值)，重復(fù)性0.15%(最優(yōu)條件下校準(zhǔn)值)。傳感器安裝在距離管道進(jìn)水口2 m處。

試驗(yàn)在2個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行，每個(gè)流量點(diǎn)讀取10個(gè)瞬時(shí)值(平均值見表1)，標(biāo)準(zhǔn)表和TP3裝置同時(shí)讀數(shù)，單次校準(zhǔn)的相對(duì)示值誤差超過5%則舍去，數(shù)據(jù)分析如表1。

表1 DN500流量計(jì)量量值溯源試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析Table 1 Statistical data of the DN500 flowmeter in measurement traceability test

由于TP3流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置擴(kuò)展不確定度U=0.035 6%，小于1/3標(biāo)準(zhǔn)表示值的最大允許誤差(±0.5%)，因此在合格評(píng)定中可以忽略不計(jì)TP3測(cè)量不確定度影響。在500 L/s、800 L/s 2個(gè)流量點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)表校準(zhǔn)后，其示值誤差均小于最大允許誤差，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)表校準(zhǔn)合格。

4.2 合格性評(píng)定Ⅱ?qū)嵗治?/h3>

2012年5月，在中國水利水電科學(xué)研究院高精度水力機(jī)械模型TP3流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置上，對(duì)F601外夾式超聲流量計(jì)(作為標(biāo)準(zhǔn)表)進(jìn)行流量量值校準(zhǔn)，校準(zhǔn)管道為DN200，傳感器安裝在距離管道進(jìn)水口6，9 m處。

試驗(yàn)在2個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行，每個(gè)流量點(diǎn)讀取10個(gè)瞬時(shí)值，標(biāo)準(zhǔn)表和TP3裝置同時(shí)讀數(shù)，單次校準(zhǔn)的相對(duì)示值誤差超過5%則舍去，數(shù)據(jù)分析如表2。

由于F601外夾式超聲流量計(jì)在DN200管徑上檢定，與在現(xiàn)場(chǎng)大流量管徑上作為標(biāo)準(zhǔn)表使用，二者管徑之比小于1/2，則誤差分析時(shí)標(biāo)準(zhǔn)表應(yīng)增加0.5%的附加誤差，即 σs= ±0.2%，σt= ±1.0%。

表2 DN200流量計(jì)量量值溯源試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析Table 2 Statistical data of the DN200 flowmeter in measurement traceability test

從標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量偏差，重復(fù)性Er結(jié)果分析，標(biāo)準(zhǔn)表在TP3流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置上校準(zhǔn)，其性能滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，可在周期校準(zhǔn)范圍內(nèi)使用。

6 結(jié)論

采用TP3流量計(jì)量量值傳遞裝置對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行校準(zhǔn)，其方法、原理是可行的。標(biāo)準(zhǔn)表與TP3量值傳遞裝置之間示值誤差方程式是建立在誤差理論基礎(chǔ)之上;對(duì)于示值誤差超過最大允許誤差，給出了測(cè)量偏差計(jì)算方法?；诓淮_定度原理，提出了二種流量計(jì)量量值溯源合格性評(píng)定方法，并給出實(shí)例進(jìn)行分析。示值誤差超過最大允許誤差，這與傳感器安裝條件，直管段長度和流體是否處于穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，要解決這些問題，還需進(jìn)一步研究標(biāo)準(zhǔn)表不同安裝工況的測(cè)試方法和提高TP3流量計(jì)量量值傳遞裝置的穩(wěn)定度。

總之，水資源管理與取水設(shè)施強(qiáng)制計(jì)量是分不開的。本文所介紹的流量計(jì)量量值溯源校準(zhǔn)方法及其合格性評(píng)定將為編制管道取水流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量校準(zhǔn)方法標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)支撐。

［1］中國水利水電科學(xué)研究院.水力機(jī)械實(shí)驗(yàn)室TP3模型通用試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介［R］.北京:中國水利水電科學(xué)研究院，2012.(China Institute of Water Resources and Hydropower Research.Introduction to the TP3 General test Bench in Hydraulic Machinery Laboratory［R］.Beijing:China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2012.(in Chinese))

［2］蘇彥勛，楊有濤.流量檢測(cè)技術(shù)［M］.北京:中國質(zhì)檢出版社，2012.(SU Yan-xun，YANG You-tao.Discharge Measurement Technology［M］.Beijing:China Quality Press，2012.(in Chinese))

［3］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.超聲流量計(jì)［M］.北京:中國計(jì)量出版社，2007.(State Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine.Ultrasound Flowmeter［M］.Beijing:China Metrology Press，2007.(in Chinese))

［4］全國流量容量計(jì)量技術(shù)委員會(huì).速度式流量計(jì)［M］.北京:中國計(jì)量出版社，2008.(National Technical Committee ofFlow CapacityMeasurement.Velocity Flowmeter［M］.Beijing:China Metrology Press，2008.(in Chinese))

［5］施昌彥.測(cè)量不確定度評(píng)定與表示指南［M］.北京:中國計(jì)量出版社，2009.(SHI Chang-yan.Guide to the E-valuation and Expression of Measurement Uncertainty［M］.Beijing:China Metrology Press，2009.(in Chinese))

［6］葉德培.測(cè)量不確定度理解評(píng)定與應(yīng)用［M］.北京:中國計(jì)量出版社，2009.(YE De-pei.Evaluation of Measurement Uncertainty and Its Application［M］.Beijing:China Metrology Press，2009.(in Chinese))

［7］FLUXIM.FLUXUS F601便攜式超聲波流量計(jì)使用手冊(cè)［K］.德國:弗萊克森，2010.(FLUXIM.Manual of the FLUXUS F601 Portable Ultrasonic Flowmeter［K］.Germany:FLUXIM，2010.(in Chinese))