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    熱量表在線校準的研究及應用


    熱量表在線校準的研究及應用,針對使用中的大口徑熱量表無法實現定期離線檢定的情況,文章提出了一種熱量表在線校準方案,對熱量表在線校準裝置的構成和熱量表在線校準的工作原理進行了詳細闡述,通過設置標準流量計的穩定性試驗,進而保證了熱量表在線溯源的過程是科學有效的,熱量表在線校準方案的實施對提升熱量表的檢測率、完善量值傳遞與溯源有重要意義。

    隨著國內供熱計量改革的持續推進,熱量表作為主要計量器具在熱水熱能貿易結算中被廣泛應用,同時熱量表是國家重點管理的計量器具,其檢定周期*長不得超過3年。事實上,由于拆卸和運輸困難等原因,已安裝于供熱管線上的大口徑熱量表進行定期實驗室離線檢定的比例很低,導致供熱貿易計算的準確度不能完全得到保證;此外,由于離線檢定是在實驗室參比條件下進行的,與熱量表現場使用工況(安裝條件約束、流體狀況、介質參數等)有所不同,造成實驗室檢定結果與現場計量結果存在差異。
    本文基于山東省計量院DN50~DN400熱量表檢定裝置和檢測能力的基礎上,提出熱量表在線校準方案,旨在建立一套熱量表在線校準裝置,采用總量校準熱量,分量校準流量的方法完成熱量表在線校準,通過設置在線校準裝置中標準流量計的穩定性試驗,進一步判斷熱量表在線校準結果的有效性,同時,本文設置了熱量表在線校準和實驗室溯源的對比實驗,進一步驗證實驗方案的可行性。
    1 熱量表在線校準裝置的構成
    熱量表在線校準裝置是由熱水流量裝置、標準流量計、和配對溫度傳感器測量裝置構成的,其中熱水流量裝置是熱量表在線量值溯源的基礎,通過校準前后對標準流量計的穩定性測量,判斷熱量表在線校準是否可靠有效,通過標準流量計和配對溫度傳感器測量裝置配合完成熱量表現場的校準工作。
    1.1 熱水流量標準裝置
    試驗采用山東省計量科學計量院DN50~DN400熱量表檢定裝置測量能力如下所述。(1)質量法:流量范圍0.1~1 200 m3/h,介質溫度為常溫~85℃,準確度等級0.05級;(2)標準表法:流量范圍0.5~2 000 m3/h,介質溫度為常溫~85℃,準確度等級0.2級。
    DN50~DN400熱水流量標準裝置的流量測量范圍及準確度等級能夠滿足標準流量計量值溯源的技術要求,為標準流量計的測量準確度和穩定性提供了技術保證。
    1.2 標準流量計的選用
    標準流量計的選擇和正確使用是熱量表在線校準的關鍵。大多數速度式流量計的在線校準采用時差法外夾式超聲波流量計進行在線比對測量,這種方法更容易實現量值的溯源和檢定中不確定度分量的控制,此外其還具有便于安裝、不改變流狀態、不產生壓力損失等優點[3]。
    試驗采用準確度等級為0.5級Controlotron1010WP-T2G7型便攜式超聲波流量計作為標準表,其裝置測量范圍:流速0.005~12 m/s,測量口徑50~5 000 mm;其不確定度:Urel=0.6%(k=2)(對應管徑DN50~DN125),Urel=0.3%(k=2)(對應管徑DN150~DN5000),小于被測熱量表流量傳感器*大允許誤差優良值的1/3,滿足技術要求。
    1.3 配對溫度傳感器測量裝置
    配對溫度傳感器測量裝置由兩支二等標準鉑電阻、兩個便攜式恒溫槽和標準溫度表構成,其主要性能指標如表1所示。
    2 標準流量計的穩定性試驗
    目前,國內還沒有相應的熱量表校準規范支持在線校準,對于現場不宜拆卸、運輸的大口徑熱量表,采用外夾式超聲流量計作為標準表在線校準熱量表流量參數,這種方法雖然也提供了參考性數據,同時也存在一些不足:外夾式超聲流量計作為標準表,其測量精度和穩定性與介質溫度、管道材質、口徑大小等參數相關,標準表現場工作條件與實驗室溯源條件不完全一致,而實際工作中常常容易被忽略,量值傳遞得不到有效保證[4]。針對上述情況,本方案通過設置標準表穩定性試驗,對標準流量計進行穩定性考核,其工作流程如圖1所示。
    根據現場被測熱量表的實際工況,確定被測流量點、工作水溫、管道材質、口徑大小等參數,在實驗室內設置相同或相近的實驗條件,利用DN50~DN400熱水流量標準裝置對標準流量計示值誤差和重復性進行測試,確定標準表儀表系數,待到完成熱量表在線校準工作后,對標準流量計按相同的實驗條件進行復測,在相同儀表系數下,按式(1)、(2)、(3)、(4)重新計算示值誤差和重復性。
    (1)標準流量計示值誤差計算
    單次測量的相對示值誤差為:
    式中:(Ef)ij為第i點第j次測量時被測標準流量計的相對示值誤差;(qf)ij為第i點第j次測量時被測標準流量計的累積流量;(qs)ij為第i點第j次測量時熱水流量標準裝置的累積流量。
    不同流量點的相對示值誤差為:
    (2)標準流量計重復性計算
    不同流量點的重復性為:
    標準流量計的重復性為:
    在線校準熱量表前后,使用熱水流量標準裝置測得兩次示值誤差的變化量作為標準流量計的穩定性,要求其小于標準流量計*大允許誤差的優良值[5],確保熱量表在線校準時,標準表量值傳遞的準確可靠的,同時標準流量計的重復性不得超過其*大允許誤差優良值的1/5[6]。
    3 熱量表在線校準過程分析
    為了應對多變的現場環境,在保證檢定精度的同時,提高操作性和工作效率,熱量表在線校準采用總量校準熱量表熱量,同時分量校準流量,保證熱量表在線校準的準確度。如圖2所示,將標準流量計與管道在線的被測熱量表串聯,管道通水至穩定運行狀態,將系統流量調節至待測流量點,同時將配對溫度傳感器和二等標準鉑電阻分別放入不同的恒溫槽內,按測量溫差點設置恒溫槽溫度,待其溫度穩定,確認被測配對溫度傳感器達到熱平衡后開始測量,在測量開始和結束時,同時記錄標準流量計的初始流量和*終流量、被測熱量表的初始熱量和*終熱量、以及標準溫度計的溫差值,通過式(5)熱系數法計算標準熱量值[7],根據式(6)、(7)計算被測流量點設定溫差下的熱量和流量示值誤差。
    (1)熱量示值誤差計算
    標準熱量值:
    式中:k為熱系數,(J/m3·k);Δθ為在熱交換系統供水和回水的溫差,k;V為流經熱量表的水的體積,m3。
    熱量相對示值誤差:
    式中:(EQ)ij為第i點第j次測量時被測熱量表熱量的相對示值誤差;(Qh)ij為第i點第j次測量時被測熱量表的累積熱量;Qij為第i點第j次測量時實際熱量,按式(5)計算,MJ或k Wh。
    (2)流量示值誤差計算
    式中:(Eq)ij為第i點第j次測量時被測熱量表流量的相對示值誤差;(qh)ij為第i點第j次測量時被測熱量表的累積流量,m3;(qf)ij為第i點第j次測量時標準流量計的累積流量,m3;
    4 熱量表在線校準方法的應用
    為了進一步驗證熱量表在線校準方法的可行性,選取一臺準確度等級為2級DN125熱量表作為試驗對象,分別設置實驗室溯源和在線校準的對照試驗對被測熱量表進行測試,其中實驗室溯源是通過DN50~DN400熱量表檢定裝置完成的,對照試驗采用在線校準的方法利用實驗室內一套DN50~DN125熱水流量裝置,完成對DN125熱量表進行對比測試。
    4.1 標準流量計的穩定性測試
    根據在線校準設定的試驗條件(安裝管道口徑、測量流量點、管道材質、工作水溫等),在實驗室溯源過程中設置對等的試驗條件,其中要求被測流量點應與在線校準熱量表的被測流量點近似一致,試驗水溫為在線水溫的±5℃,在熱量表在線校準前后,試驗通過DN50~DN400熱水流量標準裝置對標準流量計(1010WP—T2G7型便攜式超聲波流量計)進行了計量性能測試,每個流量點重復測量3次,試驗數據如表2所示。安裝管徑:ND125 mm;管道材質:不銹鋼;安裝方式:V法。
    4.2 在線校準試驗數據
    根據熱量表在線校準所設定的試驗條件,采用總量校準熱量表熱量,同時分量校準流量的方法對表進行在線校準,試驗對相同水溫、相同溫差下的三個不同流量點進行測試,每個流量點重復測量3次,其試驗數據如表3所示。
    4.3 實驗室溯源試驗數據
    將試驗熱量表從DN50~DN125熱水流量裝置上拆卸下來,安裝至DN50~DN400熱量表檢定裝置對熱量表的流量和熱量進行檢測,設置與在線校準相同的水溫和溫差點,在相同流量點下進行3次測量,其校準數據如表4所示。
    4.4 試驗數據分析
    由表2可以看出,標準表在熱量表在線校準前后,其重復性*大值為0.08和0.07,均小于其*大允許誤差1/5,同時各流量點誤差*大變化量為0.11,小于標準流量計*大允許誤差的優良值0.5,即標準流量計滿足穩定性要求,故本次在線校準熱量表實驗中,標準流量計的的量值傳遞過程是可靠有效的。
    由表3可以看出,使用標準表定點量傳的方法在線校準熱量表,每個流量點的熱量和流量示值誤差及重復性都能滿足2級熱量表的計量需求;通過表3和表4看出,對比相同流量點的實驗結果,在線校準各流量點的流量示值誤差基本與實驗室溯源數據相差不大,而熱量示值誤差基本都大于實驗室溯源數據,說明熱量表在線校準過程中可能存在著影響溫差測量準確度的因素,需要進一步進行實驗探究,
    但是總的來看,熱量表在線校準數據中各流量點誤差變化趨勢與實驗室溯源數據基本一致,同時熱量表在線校準的重復性與實驗室溯源的重復性相差不大,說明熱量表在線校準一定程度上能夠準確有效的反映熱量表的計量性能。
    5 結束語
    熱量表作為城市供熱系統貿易結算的主要計量器具,保證其計量的準確性對保障貿易雙方財產利益、提升生產質量、控制節能減排有著重要的社會價值,針對安裝在供熱管線的熱量表,定期拆卸進行實驗室溯源的成本高、效率低等特點,本文提出的熱量表在線校準方案,重點設置了標準表穩定性試驗,能夠有效保證熱量表在線校準的量值溯源過程的準確性和可靠性,通過對熱量表在線校準和實驗室檢測兩種溯源方式的有限次試驗,證明了熱量表在線校準方案的可操作性,為熱量表在線校準工的開展和作理論研究提供了相應的試驗依據,同時方案也存在一定的局限性,需要通過大量的試驗進行進一步探究。

    本文轉自知網:熱量表在線校準的研究及應用 張超 成琳琳 山東省計量科學研究院 

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