在原水调度监控系统中, 流量不仅是精准调度原水的参考数据, 更是与水量结算相关的一个经济指标^[1]。因此, 流量计能够精准的测量出瞬时流量和累计流量就显得十分重要。在原水调度的管理中可以发现, 即使是在同一段管网中, 电磁式流量计之间、超声波流量计之间、电磁式和超声波流量计之间都存在一定偏差。以青草沙原水系统金海支线为例, 分析该支线中各处流量之间的关系, 寻找可能存在的固定偏差值, 以及产生偏差的原因。

　　 金海支线的起点由五号沟泵站金海方向的5台机泵增压供水, 经由2根管径为DN2 800的输水总管至金海泵站后, 一路直接至金海水厂, 另一路经金海泵房二次增压后分别向川沙水厂和南汇支线方向供应原水^[2]。金海支线2根总管上分别安装了超声波流量计, 其余水泵出口和分管上均安装了电磁式流量计, 流量计的具体型号和参数见表1。

　　 通过原水调度监控系统对整个金海支线上的流量计进行在线对比分析, 分别对五号沟泵站单泵出水的瞬时流量、出站总管的瞬时流量, 以及金海泵站进站的总管瞬时流量, 金海出站3个方向 (金海水厂、川沙水厂、南汇支线) 的瞬时流量分别进行对比, 分析电磁式流量计之间的偏差, 超声波流量计之间的偏差, 电磁式与超声波流量计之间的偏差^[3]。具体结果见表2。

　　 如表2所示, 在原水调度监控系统中, 通过获取同一时间点的金海支线上各个流量计的瞬时流量的数值, 使用式 (1) 进步相互比对。

　　 偏差值= (前置流量计的瞬时流量-后置流量

　　 计的瞬时流量) /前置流量计的瞬时流量×100% (1)

　　 通过表2和式 (1) , 可以得出在金海支线上存在以下现象。

　　 (1) 电磁式流量计之间的在线对比:表2中“1与4的偏差值”为0.4%～1.1%即五号沟泵站出站的单泵总瞬时流量要比金海出站总瞬时流量大0.4%～1.1%。

　　 (2) 超声波流量计之间的在线对比:表2中“2与3的偏差值”为2.5%～3.5%, 即五号沟泵站出站的总管总瞬时流量要比金海泵站进站的总管总瞬时流量大2.5%～3.5%。

　　 (3) 电磁式与超声波流量计之间的在线对比:表2中“3与4的偏差值”为-2.0%～-1.0%, 即在金海泵站内, 进站的总管总瞬时流量要比出站的总瞬时流量小1.0%～2.0%。

　　 (4) 电磁式与超声波流量计之间的在线对比:表2中“1与2的偏差值”为-1.2%～-0.4%, 即在五号沟泵站内, 出站的单泵总瞬时流量要比出站的总管总瞬时流量小0.4%～1.2%。

　　 通过金海支线流量计在线对比分析, 可以发现该支线上同一管网中流量计的计量存在一定偏差, 结合电磁式流量计和超声波流量计本身的计量误差, 超声波流量计和电磁流量计的准确度不同, 分析金海支线流量计计量偏差的原因。

　　 金海支线的电磁式流量计均采用科隆公司生产的型号为OPTIFLUX2300W电磁流量计。OPTIFLUX2300W流量计计量误差的原因受到产品精度、管径、水流流速、以及外部干扰条件等多方面的影响^[4], 是造成金海支线计量偏差的原因之一。产生误差的因素有以下6点。

　　 电导率限制条件б≥ 1～5 μs/cm (水>20 μs/cm) , 不能测量非导电介质。如果管网中的原水含有大量气体, 产生流量计的测量数据严重波动。

　　 励磁电流经测量管上下励磁线圈产生磁场。励磁线圈断路, 流量计不工作, 励磁电流稳定性直接影响流量计的测量。测量管必须为非导磁材料, 保证磁场穿过导管, 测量管应采用不锈钢材质。

　　 电磁流量计实际测量介质的流速, 其实是速度式流量计。测量介质的体积流量, 使用流速换算见式 (2) :

　　 $Q=\frac{\text{π}}{4}D{\rm N}{}^{2}V(2)$

　　 式中 DN——管道内直径, mm;

　　 V ——流速, mm/s。

　　 电磁流量计是通过测量导电液体的速度确定工作状态下的体积流量。按照计量要求, 对于液态介质, 应该测量质量流量, 测量介质流量应涉及到流体的密度, 不同流体介质具有不同的密度, 而且随温度变化。如果电磁流量计转换器不考虑流体密度, 仅给出常温状态下的体积流量是不合适的。

　　 科隆公司的电磁流量计, 不同型号其测量误差 (精度) 不同。如金海支线使用的上OPTIFLUX2300W的测量精度为±0.2%的相对误差。相同规格不同口径测量误差不同, 过大过小口径配套标定难度高^[5]。

　　 用测量点的相对误差+绝对误差之和表示总的测量误差。低流速测量误差大。计算见式 (3) 。

　　 $\delta =\pm 0.2\%+\frac{0.1}{V}(3)$

　　 式中δ——合成误差。

　　 在图1中, 曲线 (2) 是OPTIFLUX2300W (管径DN1 600) 电磁流量计的合成误差曲线。曲线 (1) 和曲线 (3) 是其他型号流量计的合成误差曲线。从曲线 (2) 中可以看出:如测量点流速为1 m/s时, δ_合成误差=±0.2%+ (1 mm/s) / (1 m/s) =±0.3%。如测量点流速为0.1 m/s时, δ_合成误差=±0.2%+ (1 mm/s) / (0.1 m/s) =±1.2%。

　　 根据科隆公司对OPTIFLUX2300W的精度描述, 当DN10～1 600时, 合成误差为±0.3%。当为DN>1 600 mm, 为±合成误差为±0.5%。因此, 金海支线上电磁式流量测量出的瞬时流量受到流速影响而产生不同程度的误差。

　　 原水管道结垢或磨损改变内径尺寸, 将影响原定的流量值, 造成测量误差。如DN1 600口径电磁式流量计, 利用式 (2) 可以计算出, 管道内径变化2 mm时会带来约0.25%的附加误差^[6]。

　　 金海支线总管上的超声波流量计为瑞士瑞特迈尔公司生产的RISONIC2000, 采用时差法原理来测量多条相互平行声道上的线平均流速, 然后结合渠道形状换算出瞬时流量和累计水量。导致超声波流量计产生测量误差的原因较多, 在每年的年检维护中, 管道内壁是否有沉积物、探头是否清洁、水流温度、压力与工作条件都是造成误差的原因。其中, 换能器安装误差、管道内径误差和测量条件是造成超声波流量计计量误差的最大因素。分析产生误差的具体原因有以下3点。

　　 超声波流量计换能器 (探头) 的安装误差对测量结果影响很大。从测量原理上 (见图2) , 推导换能器安装位置不准确而导致的安装误差。

　　 顺流传播时间 (见式4) :

　　 ${\rm T}{}_1=L^{\prime }÷(V{}_0+VL/\sqrt{(R{}^2+L{}^2)})(4)$

　　 逆流传播时间 (见式5) :

　　 ${\rm T}{}_2=L^{\prime }÷(V{}_0-VL/\sqrt{(R{}^2+L{}^2)})(5)$

　　 式中 V₀——超声波在水中的传播速度, 受水温影响较大, mm/s;

　　 R ——管道的内径, mm;

　　 L ——安装距离, mm。

　　 综上得到式 (6) ～式 (8) :

　　 $\begin{array}{l}V=V{}_0\cdot {\rm K}\cdot \sqrt{(R{}^2+L{}^2)}/L(6)\\ V{}_1=V{}_0\cdot {\rm K}\cdot \sqrt{(R{}^2+L{}^2)}/L{}_1(7)\\ V{}_2=V{}_1\cdot {\rm K}\cdot \sqrt{(R{}^2+L{}^2)}/L{}_2(8)\end{array}$

　　 由此可算出安装距离“L”的误差所带来的流量误差。例如, 在DN1 200管道上安装超声波传感器 (单声道) , 当L数值偏差30 mm时, 误差将达到4.67%。金海支线上安装的RISONIC2000超声波流量计是8声道的, 可能存在多个安装距离, 流量计计量更加精准, 理论误差不易算出。现场安装时, 尤其是大口径钢管管道时, 要想保证准确的L值, 必须借助更加精密的测距仪器, 否则容易造成流量计的计量误差^[7]。

　　 超声波流量计是通过测量流体速度再乘以管道内截面积来确定流量。在实际应用中, 无法直接测量内径和管道圆度, 只能根据外径、壁厚按标准圆估算截面积, 由此带来的不确定性已超过1%。理论上, 1%的内径误差会导致2%的流量测量误差。为了减少管径误差的影响, 一般把实测内径输入流量计, 这样可减少内径对测量的影响。

　　 从理论上分析其误差, 由流量公式推导出内径误差引起的测量误差见式 (9) :

　　 $\delta =1-(R^{\prime }/R){}^2(9)$

　　 推导金海支线总管DN2 800管壁内结垢20 mm时, 流量误差将达到1.4%。

　　 由超声波流量计的测量原理可知, 传感器所测量的流速是流体的线速度。只有流速分布均匀才能保证测量的准确度, 所以在流量计的上下游要有足够的直管段。参考多项资料和超声波流量计的使用手册, 一般要求上游有5～10倍管径的直管段, 下游有3～5倍管径的直管段。

　　 电磁式流量计OPTIFLUX2300W的产品精度为±0.2%, 每台电磁式流量计的传感器系数GK在出厂的时候进过标定后特有的, 用GK能够更加准确反映某一传感器的流量信号特征, 继而保证电磁式流量计的产品精度不受安装条件的影响。超声波流量计RISONIC 2000的产品精度为±0.5%, 在实际应用中, 由于现场管道的内径、壁厚、圆度都无法精确测量等诸多因素会使测量准确度超出标准准确度许多, 超声波流量计的安装距离L值误差10 mm, 就可能造成的合成误差远超±0.5%。对供水行业的计量来说, 超声波流量计的实际测量误差能控制在3%以内就算高准确度了。

　　 从表2中, 也可以明显看出电磁式流量计和超声波流量计的准确度不同。在金海支线上, 电磁式流量计之间进过在线对比, 其偏差值在0.5%～1.1%。超声波流量计之间进行在线对比, 其偏差值在2.5%～3.5%。可以得出, 在金海支线上, 电磁式流量计的偏差值要小于超声波流量计。

　　 通过金海支线流量计在线对比分析, 结合电磁式流量计和超声波流量计本身的计量误差原因, 可以得出金海支线流量计之间的计量偏差和偏差原因。一是由于电磁式流量计和超声波流量计本身的误差, 二是由于电磁式流量计和超声波流量计之间的准确度不同。在金海支线上, 电磁式流量计之间的偏差值在0.5%～1.1%。超声波流量计的偏差值在2.5%～3.5%。电磁式流量计与超声波流量计之间的偏差在-2%～-0.5%。在实际工况中, 对产生异常偏差值的流量计需要根据实际情况进行具体分析, 找出其计量误差的最大原因。