作者：蔡武昌，中国仪器仪表行业协会流量仪表专业委员会教授级高工
关键词：流量仪表　现场在线　校准　比对　验证

　　传统的流量校准方法是从管线卸下流量计送实验室流量标准装置上离线校准。然而流量计有时还需在现场校准流量，这是因为：(1)现场使用条件往往偏离实验校准流量时的参比条件(或称正常工作条件)，引起测量xx度下降；(2)某些储存交接贸易计量的高精度测量，要求定期校准的周期很短，离线校准难以实现；(3)有些使用场所(如公用事业大流量输水管线)不容许随意停役将流量传感器卸下管线，或因离线校准周转期过长，或因校准费用大而不易实现；(4)在工程交工验收时，要判断系统的流量测量值是否可靠，也不可能对系统中所有流量计逐台离线校准，而采用核算运行调试过程中的测量数据验证，分析判断，仅对个别可疑流量计离线校准。
　　流量计的现场校准和验证实际上是在现场针对流量测量系统(包括流量计、前后连接管道、介质流动状态等)的运作，通常分为校准、比对和验证3个层次，本文就此对其含义和国内外采用的一些方法作概要论述。

一 现场校准、比对和验证的含义

　　流量计的现场校准、比对和验证尚无正式定义，现仅从日常工作中体会其含义，参照相关标准规程作些诠释。
　　流量测量系统(包括流量计在内)的现场校验(有时也称在线实流校验)是利用现场条件，将流经待校验仪表的流体接入标准计量器或参比计量器具进行校准(或比对)，或通过测量系统的平衡法等途径，予以评估验证。

1. 流量计的现场校准

　　校准(Calibration)已有规范定义，即：在规定条件下，为确定测量仪器或测量系统所指示的量值，或实物量具或参考物质所代表的量值，与对应的由标准所复现的量值之间关系的一组操作。流量计的现场校准是在流量系统中的测量条件下，将流经待校准仪表的液体临时接入固定式(或移动式)标准计量器具(或流量标准装置)进行比较。

2. 流量计的现场比对

　　比对(Comparison)尚无规范定义，《计量辞典》解释是：在规定条件下，对相同准确度的同类基准、标准，或工作计量器具之间的量值进行比较。它的工作方法与“校准”相似，但某些方面达不到“校准”的规定，要求相对低些。流量计的现场比对往往只是与参比流量计相比较，也有与参比工作量器或衡器比较。

3. 流量计的现场验证

　　验证(Verification)在GB/T 6583-1994《质量管理和质量保证术语》中定义为：通过检查和提供客观证据表明规定要求已经满足的认可。这虽是质量管理和质量保证的术语，借用到测量系统的质量管理，基本上也合用。流量仪表的现场验证是在现场采用间接检验(查)的方法，验证或评估仪表的流量测量值等性能仍保持或已超过原校准流量值等性能范围，为是否仍可继续使用或需进一步检查，提供依据。
　　从计量学意义上，在线实流校准{zfh}准确性、一致性、溯源性和实验性等计量特点。

二 现场校准

　　流量计的现场校准通常是在其校准条件(即流体物性、操作条件、安装条件、环境条件)与实际使用条件充分一致下进行。本方法首先在能源工业探索实践，当前已在油、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标准体积管校准流量计；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。

1. 现场校准常用标准计量器具(或标准装置)的类型

　　当前采用现场在线校准的方法有流量标准装置法和示踪法，流量标准装置法又分为固定安装的基地式和移动式，其体系如图1所示。

2. 基地式流量标准装置

　　a. 标准体积管
　　大型油库或油码头的储运交接常有多台涡轮流量计或容积式流量计，用一套体积管流量标准装置和相应的切换阀，就　可实施流量计的定时轮换在线校准。如图2所示，关阀1，开阀2，油品流经待校流量计后进入标准体积管实现在线校准。　国内原油贸易计量基本实行了本方法。

　　国内原开封仪表厂定型生产的LJG型球体积管，体积管通径有200～600mm共6种规格，上限流量200～3000m3/h。(美)Calibration System Inc.(CSI公司)的小型活塞式体积管，容积有0.0189～0.454m3共6种规格，上限流量113～2784m3/h。
　　b. 标准流量计
　　原油固定安装标准流量计系统组成与图２相似，只是用标准流量计替代图中的标准体积管。可用作标准流量计的有容积式(刮板、椭圆齿轮、腰轮、螺杆)、伺服型容积式、涡轮式、多声道超声式、科里奥利质量式等。
　　图３所示是天然气门站计量和基地式校准系统。正常输气时经管路1、汇管3按输气量大小切入管路3 DN 50计量孔板或管路4 DN 100计量孔板；校准计量孔板时经管路2和汇管2内单只音速喷嘴或一组喷嘴实施。汇管内有8只音速喷嘴，不同组合可获得10～1590m3/h，最小分度10m3/h的不同流量。

3. 移动式流量标准装置

　　采用本方法必须在被校准流量计管线下游(或上游)合适位置，预留通向标准装置的连接口和相应截止阀。将标准装置经过标准装置计量后返回管线。
　　a. 车载(或撬装)标准体积管
　　国内利用移动标准体积管现场校准流量计已有20余年经验。原上海自动化仪表一厂曾有定型车装球型体积管。图４所示是CSI公司的车载活塞式体积管(深圳市建恒工业自控系统公司提供)，其基本性能与基地式活塞式体积管相同。

　　b. 车载(或撬装)标准流量计
　　基地式标准流量计的品种都有用作车载标准流量计，例如：
　　空军油料研究所开发校准机场加油流量计的称作“JLC-A型在线检验装置”，配有DN 50和DN 100标准涡轮流量计各一台，可校准流量为12～100m3/h的航空煤油等轻质油。随车还有计算机辅助测试系统和档案管理信息系统。
　　上海计量测试技术研究院2002年前后研究开发成功以科里奥利质量流量计为标准流量计的标准装置，校准路边LPG(液化石油气)加气机。由于LPG还是以容积为计价单位，还利用科里奥利质量流量计能测量密度的功能，同时还配有校准密度的称重设施。
　　国家原油大流量站(大庆)称作“移动式音速喷嘴标定车”的校准装置，可校准管径200mm，流量9000m3/h的气体流量计；国家原油大流量计量站成都天然气计量分站购置称作“移动式气体超声流量标定车”，可校准管径600mm、压力6.4MPa、工况流量80～8000m3/h的气体流量计。
　　图5所示为车装天然气校准系统组成和布置，2台不同口径涡轮流量计标准表(Master Meter)和1台超声流量计参比表(Reference Meter)，可校准{zd0}实际流量8000m3/h的DN 300mm气体超声流量计，还配有气相色谱仪分析天然气成分。

　c. 移动标准量器
　　移动标准量器分为随身携带小容量标准量器和车装标准量器。小容量标准量器容量从一升到几升，用于校准路边加油机流量计；车装标准量器容量有100、200、500、1000升数种规格。用本方法流体只能从待校准流量计下游引出，且不能重新进入管系而需另行处置。

4. 示踪法

　　在现场应用示踪法校准流量计国际上已相当成熟，早在上世纪70年代就颁发了国际标准ISO 2975-(1～7)《封闭管道中水流量测量——示踪法》和ISO 4053-(1，4)《封闭管道中气体流量测量——示踪法》。这些标准规定了用放射性示踪剂或非放射性示踪剂的实施方法和要求。示踪法测量的基本工作原理有两类，一是恒速注入法(也有称稀释法)，是在管道的液体中恒速注入示踪剂，然后测量示踪剂沿管道长度方向的稀释比例，按扩散稀释理论计算流量，ISO2975-2举例说明，在良好的条件下可望得到±1％测量xx度；二是示踪剂瞬时注入，然后测量示踪物流经一段距离所需时间，计算流量，称作传输时间法。传输时间示踪法也使用于明渠流、非满管流或疑有沉淀物的满管流的流量校准。
　　ISO 2975-(6，7)举例说明传输时间法测量管道液体，在良好条件下可望得到0.5%测量xx度；测量气体则为0.7%(ISO 4053-4)。芬兰Oy Indmeas Ab公司用示踪法校准流量计有长期经历，他们迄2004年已超过700台流量计用示踪法校准。该公司论文列出校准使用中污水流量计误差分布图，49台文丘里槽仪表中80%在规定误差5%范围内，91台满管电磁流量计为91%，外夹装换能器超声流量计则为55%。
　　金氏定律热式流量计即热检测头插入管道的习称插入热式流量计，通常在实验室用空气校准，但用于测量天然气或烟道排放气等其他气体，必须用所测气体实流校准，现在尚没有完善的仪表系数换算法。而在许多情况下难以在实验室制备成分相近待测气体。专业生产热式流量计的(美)Kurz公司在2001年MICONEX展会的技术交流会上被询问时称，该公司就是在大型管线用SF6示踪剂现场校准热式流量计。
　　近年，在国内也在探索示踪法，试图在线校准大口径水流量计；(大庆)石油工业计量研究所先在实验室以化学示踪剂(ZnCl2)和同位素示踪剂(铟-113m)传输时间法验证实施的可行性，证明同位素示踪剂效果较好，但尚待提高。同位素示踪法还在大庆油田某污水站现场试运行3个月。

三 现场比对

　　许多使用者根据各自的条件探索多种现场比对的方法，作为流量计品质管理的辅助手段，发表论文或提出报告。若干案例归纳起来有以下3种类型，现择要述评。
　　(1)利用流程中存储容器、工作容器、水池或衡器的容器衡器法；
　　(2)在待测流量计的管线合适场所预留位置，以备接入比对参比流量计的流量计法；
　　(3)外夹装超声换能器的超声流量计法。

1. 容器衡器比对法

　　案例1　水池容积比对流量计是制水行业经常采用的方法，制水厂利用大容积清水池的有利条件，可获得较高比对xx度。长沙自来水公司的论文报导了以近8000m3水池，费时2.5小时与DN 1400mm电磁流量计的积算总量比对，例举了比对实验数据。若仔细丈量水池几何尺寸，运行较长时间(几小时以上)使进水池水位差超过1m，以减少各操作误差的影响。　在这些条件下可望获得在0.5%～1%之间比对不确定度。
　　案例2　中国石油锦州石化公司利用既有设备轨道衡比对科里奥利质量流量计。如图6所示，石油制品流过科里奥利流量传感器后进入汽车罐车，然后驶经轨道衡称重比对。原文对本方法称“校准”，由于缺乏国家或地方检定规程，本文仍权称“比对”。

2. 参比流量计比对法

　　案例3　在待比对流量计上、下游适当位置预留管段，平时接入短管作正常运行，在比对时换上参比流量计串接比较。
　　徐州矿务局夹河寨矿选煤厂于上世纪70年代，用数台DN 80mm电磁流量计测量井下含镁盐较高易结垢清水和煤浆。　　未采用比对法前发现使用二年半后测清水仪表，流量指示值比实际值高出约18%，卸下检查垢层厚达2.5mm。需要了解结垢和浆液磨损影响测量程度如何？能保持测量xx度多久？为解决这些问题，他们用同一规格电磁流量计作为参比流量计，临时接入管道进行比对。经过短时间试验，就可作出继续可用或是下线检查维修替换的判断。
　　案例4　用插入式涡轮流量计比对，襄樊供水公司对原插入式涡轮流量计测量点更新为管段式流量计时，保留原插入安装口，俾日后定期再插入涡轮流量计进行比对。虽然插入式流量计组成大管径测量系统xx度低(2.5%～5%)，因为即使涡轮流量传感器有较高xx度(流速的0.5%～1%)，还要包括流通面积测量误差以及流速分布系数/阻塞系数的不确定性等等，但有优异的重复性(0.25%)。如果在同一位置定期用涡轮流量计与在用流量计比对，与新装后首次比对数据比较，可评估该计运行是否准确。南昌供水公司在DN 1000mm管线更新3台流量计，在其一侧预留插入孔和阀门以便插入涡轮流量计，作定期比对。该公司认为涡轮流量计短时间内使用，测量值稳定可靠，操作简便，费用省。

3. 外夹装换能器超声流量计比对法

　　利用便携式外夹装换能器超声流量计比对使用中流量计，在供水业应用十分普遍，中国城镇供水协会设备工作委员会于2003年11月在贵阳召开流量仪表应用技术研讨会提出在线比对论文的11家企业就有9家采用本方法。例如石家庄市供水公司新设计流量计井时，在井内较理想位置预留装比对流量计的管段和空间。在安装该管段前应仔细丈量内径，有些企业在设置流量计后随即用便携式超声流量计比对，并将数据记录在案，便于今后比较分析。在采用本方法时应评估安装于现场比对超声流量计所组成测量系统的不确定度，因为除超声流量计本身xx度(0.5%～1.5%)外，还应包括流通面积、声程距离、声程角的测量误差，来流上游挠流件(弯管等)形成速度分布畸变等附加误差。便携式超声流量计比对法总的不确定度在2%～5%之间，若丈量粗糙或无法获悉确切流通面积(如内壁有严重锈蚀等)，系统不确定度会超过5%。

四 现场验证

　　在现场校准和现场比对两种方法不能实施时，只能退而考虑采用下述四种现场验证法：

1. 物料平衡法

　　物料平衡法是利用测量系统中流入系统各流量计所测量值的总和应与流出系统各计值的总和相等的，或其差值在合理范围内。在这里假定管道内充满流体且工况稳定，流体在管道内的贮留量没有变化。
　　本方法适合于以下一些场所，如工程交工验收时验证相关流量计测量结果；水厂出厂水总管量和各输送分管流量总和之间的验证；锅炉输出蒸汽进入分配器的总量和馈送各用户量和之间的验证；送给用热设备蒸汽质量和泄放热量后变成冷凝水排放量之间的比较验证。

2. 热量平衡法

　　将与被测流量相关联的有关数据代入热量平衡方程式，计算出流量理论值，以验证流量计测量示值。有的参考文献列举锅炉除氧器蒸汽消耗量的具体计算例，除氧器通入蒸汽除氧，水温升高，测量进水流量和升高温度，以热量平衡计算蒸汽流量，验证之。

3. 设备能力估算法

　　根据相关设备能力来估算流量的一种方法，例如以前煤气公司用煤气压缩机开机台时数作为输送煤气计量手段，供水企业以输水泵扬程按泵的扬程——流量特性(h-q)估计输水量，直到现在装用流量计后仍用这些方法作为核对流量计示值的方法。然而水泵和压缩机输出量的允差较大，批量生产C级泵流量允差±8%，压缩机排气量允差-5%～+10%，还有其他一些产生偏差的因素(如压缩机排气量受吸水气体气体影响)引起更大误差。
　　镇江自来水公司在流量计正常运行时，利用运行中读取流量计q值和相对应泵扬程h值，修正提高水泵厂提供的h-q关系曲线准确性。笔者认为在新装用流量计的场所，可采用这一经验，创造条件，或利用日常负载变化绘制较准确水泵h-q曲线，作日后验证核对。

4. 其他参量评估法

　　检验其他参量评估法是在管线上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差范围内；间接地评估验证流量计。
　　检验电磁流量计测量要素磁感应强度是否仍保持在原校准流量值的允差范围内和检查电极信号电路绝缘良好等间接评估方法即为一例。请参阅《电磁流量计在线检查和验证》一文(见本刊2004年7月刊第46～48页)有较详细的检查内容论述。

（全文完）

来源：《世界仪表与自动化》

出版日期：2006年3月