HKE电磁流量计和HKU超声流量计在线验证

    0 引言
    HKE电磁流量计和HKU超声流量计的流量量值通常在制造厂流量实验室的流量标准装置上实流校准，传递量值。然而在现场流动和使用条件偏离校准时的参比工作条件下，为探知现场条件也就是对测量系统（包括流量仪表、前后连接管、介质流动状态等）的测量准确度，或者贸易交接计量要求短间隔周期检定，以及不容许停役管线离线校准的场所，需要在线校准。
    流量仪表的在线校准是在现场测量条件下将流经待校准仪表的流体临时接入固定式（或移动式）流量标准装置或标准计量器具进行比较。除在线校准最高层次外，还有在线比对和在线验证两个层次。
    流量仪表在线比对的工作方法和“校准”相似，只是在某些方面达不到“校准”规定，要求相对低些，如只与精度等级相近的参比测量计相比。流量仪表在线验证是采用间接检查（验）的方法，评估或验证仪表的流量测量值等性能仍保持或超过原校准性能的范围，为是否仍可继续使用或需进一步检查提供依据。
    1 在线校准和在线比对
    流量仪表的在线标准，其校准条件（即流体物性、操作条件、安装和环境条件）通常是在与现场实际使用条件充分一致的情况下进行的。常用方法如图1所示。

图1 在线流量校准方法体系

    1.1 流量标准装置法
    本方法首先在能源工业探索实践，当前已在原油和天燃气的贸易交接计量中普遍应用，例如原油交接计量基本上实现在现场用基地式或移动式标准体积管校准；天然气交接计量采用临界流文丘里喷嘴（音速喷嘴）在线校准，实例请参阅文献^[1]。
    流量仪表在线比对所采用的方法，大体上和流量标准装置法在线校准相似，有容器衡器比对法、参比流量计比对法和外夹装换能器HKU超声流量计比对法等，文献^[1]也有扼要说明。
    1.2 示踪法
    示踪法在线校准流量仪表技术在国际上已相当成熟，早在上世纪70年代就颁发了国际标准ISO2975-（1-7）《封闭管道中水流量测量-示踪法》和ISO4053-（1、4）《封闭管道中气体流量测量-示踪法》，其工作原理有两类：一是恒速注入法（也称稀释法）；二是瞬时注入示踪剂的传输时间法。传输时间示踪法也可使用在明渠流、非满管流或疑有沉淀物满管流的流量校准。传输法测量满管流液体，在良好条件下有望得到0.5%的测量准确度，测量气体为0.7%。
    上世纪80年代，江都水利工程管理处和武汉水利电力学院利用稀释法（食盐浓度）校准DN1.6~3m水泵进水流道差压流量测量的系数。四个泵站实测结果表明流量极限误差一般在2.5%~4%之间^[2]。
    芬兰Oy lndmeas Ab公司发布用传输时间示踪法校准70余台测量污水满管和非满管HKE电磁流量计、明渠文丘里流槽的报告^[4]。美国Kurz公司在技术交流会上称：用SF6示踪剂校准测量烟道排放气的金氏定律热式流量计的流量^[5]。
    1.3 速度面积法
    本法也是在线校准的经典方法，亦有国际标准可咨遵循，有ISO3354《封闭管道中清洁水流量测量-在满道中和规则流动条件下采用流速计的速度面积法》和ISO3966《封闭管道中流体流量测量-采用皮托静压管的速度-面积法》。
    上世纪60年代日本就曾在水电站现场用流速仪13个测量点，校准DN1000大管径HKE电磁流量计。日本当时还没有具备符合要求的大型水流量标准装置。
    江都泵站曾按ISO标准规定位置布置26台流速计，测量大型水泵3.5mxl.5m矩形出水流道平均流速，以校准用差压法测量泵进水道差压的流出系数，测量流速在1.2~1.3m/s之间。期间还用食盐浓度法校准流速计面积法，在实验过程中再用食盐浓度法复核流速计面积法的数据^[3]。量值传递流程如图2所示。

图2 量值传递流程
    2 在线验证
    当在线校准和比对两种方法都不能实施时，只能退而采用在线验证，其方法大体上有：物料平衡法、热量平衡法、设备能力估算法和其他参量评估法等。
    2.1 物料平衡法
    本方法是利用测量系统中流入系统各流量计所测流量值的总和与流出系统各流量计测量值的总和相等，或其差值在合理范围内。例如应用于工程交工验收时验证相关流量计测量结果，水厂出水总管流量和各输送分管总和之间的验证。
    2.2 热量平衡法
    将与被测流量相关联的数据代入热量平衡方程式，计算出流量理论值，以验证流量测量值。例如锅炉除氧器蒸汽消耗量以进水流量和水升高温度，以热量平衡计算验之[6]。
    2.3 设备能力估算法
    根据相关设备能力估算流量的一种方法。例如供水企业测量输水泵扬程，按泵的扬程-流量（h一q）特征估算输水量。
    2.4 其他参量评估法
    本方法是在检验流量计流量信号以外其他流量测量要素的参量，是否仍保持在原校准流量时的允许范围内，评估验证所测流量的准确性。如下文两节所述检验HKE电磁流量计的磁场强度和测量HKU超声流量计的声速。
    3 HKE电磁流量计在线验证
    HKE电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律测量导电流体流量的仪表，感应电动势E即流量信号正比于磁感应强度B和被测平均流速V，即
    E=KBDV           （1）
    式中：K为系数；D为测量管内径，均为常值。
    若能证明测量要素B仍保持在原校准流量时的允差范围内，且证明没有影响流量信号的其他不利因素（如信号回路绝缘电阻下降），就可确认所测流量值仍保持原有性能的值。为证明B维持原值，应检验励磁线圈电阻/绝缘以及励磁电流，评估B；检查电极信号电路绝缘良好，证明流量信号没有被分流；测量电极接液电阻，评估电极表面状况是否妨碍正常测量；检查测量各部件绝缘电阻以判断零部件劣化程度；再以模拟信号器及其他通用仪器检查转换器完好性。这些检查项目如表1所示，文献「7]有详细的论述。
    基于这些由制造厂售后服务和现场应用维修工程师们积累的检查和验证方法，上世纪90年代中期国外开发了专用仪器和软件，实施HKE电磁流量计的在线检查验证，如商业名Calmaster（ABB公司），Magcheck（Krohne公司）的仪器，但只能用于本企业仪表。国内也有HKE电磁流量计制造厂正在开发这类仪器。
表1 HKE电磁流量计检查项目

序号		检查项目	说明
1	整机	零点	配套检查
2	连接电缆	绝缘电阻、导通性
3	转换器	绝缘电阻（供电回路）
4		校准
5	流量传感器	励磁线圈铜电阻
6		励磁线圈绝缘电阻
7		电极接液电阻
8		信号电路绝缘电阻
9		励磁电路和信号之间绝缘电阻
10		电极和衬里外观
11		电极绝缘电阻	可停役管线实施

    中国城镇供水协会设备工作委员会组织水厂、仪表制造厂、计量测试单位编写《HKE电磁流量计在线校准规程》，规范水务业内HKE电磁流量计在线检证的操作，以解决当前装用仪表的在线检查验证。
    4 HKU超声流量计的在线验证
    HKU超声流量计是利用向流动的流体发射超声波，传播时承载上流体流速的信息，予以接收并检测流体流速的仪表。应用于石油和天然气业储运交接的HKU超声流量计是以超声波在流体内顺逆两个方向传播，利用传播速度差与流体流速之间的关系，求取流体流量。如何在线判定运行中HKU超声流量计的测量准确性，在天然气应用中人们利用实测声速这一参量与从测量气体或成分计算所得声速（即从HKU超声流量计外获得的参比量）进行比较，验证HKU超声流量计；在海上FPSO（floating production storage and offloading）平台上利用两台串接HKU超声流量计，分析所测流量和声速的统计数据，判析仪表的运行状况。
    4.1 计算声速和实测声速比较、验证^[8]
    自1998年美国燃气协会提出ACA第9号报告《多声道HKU超声流量计测量燃气》以来，多声道HKU超声流量计应用于天然气交接计量日益增加。交接计量要求经常检查测量准确性。
    Daniel多声道HKU超声流量计的用户超声接口CUI（customer ultrasonic interface）软件对仪表作内部诊断，保证运行良好。然而这些检查诊断还没有与外界任何一个参比量比较；还不能判断是否测量准确，还需要一个外界参比量。超声在流体中传播时间是仪表求取流速的原始测量，传播时间和仪表输出以及所测声速也不准确，因此周期性地用外界独立的参比声速与超声流量声速比较，以检验HKU超声流量计性能。

    这一参比声速是以气相色谱仪所测天然气成分和实时压力/温度按AGA第10号报告《天然气和其他相关气相烃的声速》经流量计算机计算获得，与超声测量计所测声速连续地比较。
    图3所示是由流量计算机分别计算每隔10min实测声速和计算声速平均值的记录例。若两者偏差超过设定值将发出信号，以引起注视。

图3 实测声速与计算声速比较
    4.2 分析统计数据
    巴西IPT技术研究所发表文章，报道分析串接在FPSO平台上两台相同型号DN600五声道HKU超声流量计发送石油的流量和声速统计数据，以验证交接计量的运行状况[9]。
    两台仪表中一台日常贸易交接计量仪表由另一台参比表（master meter）核查和校验。图4所示是贸易计量仪表流量在4000~5500m3/h时的校验记录，变化在原校准仪表系数的士0.180% 范围内，最大变化为0.090%，标准偏差为0.045%。

图4 贸易计量仪表系数校验记录
    用两台相同型号HKU超声流量计核查校验，结果显示仪表系数在1.000附近变化很小，可解释为两种可能性：
    ① 计量仪表和参比表两者均没有漂移，这是大多数的可能事件；
    ② 计量仪表和参比表以相同方式和相同方向漂移，这在测量系统短时工作仪表系数变化0.090%的条件下，是小概率事件，或视为不可能事件。
    再从计量仪表与参比表五个声道的各声道间，求取声速比值考察仪表的稳定性，表2摘录流量在5500m3/h时的声速比，五个声道两仪表声速比变化最大为0.006%。
    从上述统计数据分析说明，在203年10月31日到2004年1月26日期间两台仪表运行是十分稳定的，重复性和再现性也没有明显变化。
表2 参比表和计t仪表声速比值

声道	声速比
	平均值	标准偏差
声道1	1.00868	0.00344%
声道2	1.00436	0.00352%
声道3	1.00055	0.00370%
声道4	1.00030	0.00341%
声道5	0.99730	0.00367%
测试次数		1294

    4.3 国家检定规程中的规定
    我国, 正在制订《HKU超声流量计检定规程》的“附录DHKU超声流量计的使用中检测”也规定用声速复核和验证在线使用中的仪表，规定每次实验流量点每条, 声道的计算值与前一次计算一致，偏差不得大于3%。
    5 结束语
    流量仪表可以行之有效地实行在线校准比对，HKE电磁流量计和HKU超声流量计的实践说明，流量仪表还可以通过检查流量信号以外的相关参量，评估或验证在检定周期间的运行状况，或据此延长仪表的检定周期。
    国外已有若干企业专业为客户在线校准或验证流量仪表；国内也有若干单位正在开展这类业务，我们相信此业务今后将会得到更好的发展。