大口徑電磁流量計的現場比對和在線驗證水行業的實踐

摘要通過對供水行業電磁流量計在線檢查和驗證的一些方法的比較。進而對各種不同方法在不同應用場
合的*性和適應性進行分析，重點介紹CalMaster電磁流量計在線周期檢定和檢查，探索電磁流量計在線
驗證新的發展方向。
關鍵詞電磁流量計比對在線驗證

引言
電磁流量計是當前應用于電解質溶液流量測量zui廣泛的儀表之一，一般只要電導率在
5蜩／cm以上即可，所以在水行業，不管是自來水、原水取水還是污水處理等領域都可以使用，
且往往適用較大口徑，zui大口徑達到甚至超過3m。
按IS09000《質量管理體系》的要求，測量儀表必須在受控狀態下運行，JJGl98-94《速
度式流量計檢定規程》也規定必須定期檢定。流量儀表流量值的檢查方法通常有離線檢查和
現場在線檢查兩種方法。離線法流量檢查將儀表卸離管線送至實驗室流量校準裝置上進行實
流校準。然而大口徑電磁流量計，尤其在供水工程管網中，一般都不設旁路管和相應的截止
閥，而且儀表一旦調試完畢投入運行后，不允許停止輸水，大口徑水管更不允許隨意切斷水
流停役拆卸流量傳感器實旅離線校準，且因工程費用浩大不易實現。這一難題在2003年11
月中國水協設備委召開的“流量儀表應用技術研討會"上成為討論熱點。在實踐中，各供水
企業根據各自使用條件，探索若干在現場比對或間接檢驗(查)的方法，驗證和評估流量儀
表的流量測量值仍保持或已超過原始校準精度等級范圍內，作為是否可繼續使用或需進一步
檢查的依據。
流量儀表的實流校準是確立被校準流量儀表指示值與原始標準器或傳遞標準相應值之
間關系的一組操作過程。將標準值傳遞給被校準儀表是有法定計量性質的川；現場比對是在
規定條件下用相同(或相近)度等級儀表量值進行比較，是沒有計量法定性質的操作：
在線驗證是在現場通過檢查和提供客觀證據表明規定要求下已經滿足的認可，即確認被驗證
的在線流量儀表的本體性能狀態和條件符合為實現其原始度要求而必須滿足的本體性
能狀態和條件：電磁流量計是目前水行業大口徑流量測量應用的主流儀表，通過分析大口徑
流量儀表在常用的現場比對和在線驗證的問題，結合電磁流量計本身的一些特點，探討電磁
流量計在大口徑流量測量方面的現場比對和在線驗證方法的改進及發展展望，是本文的目的

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所在。
目前實際應用的現場比對方法主要有清水池容積法、串聯管段式儀表法、外夾裝(外貼)
式換能器超聲流量計法和插入渦輪流量計法等。本文論及的在線驗證方法即指目前處于發展
階段的各種電磁流量計的在線檢查驗證。
1清水容積法現場比對
清水容積法比對是供水業經常采用的傳統方法。具體方法是：利用高精度的鋼尺丈量清
水池的尺寸，地計算出清水池面積，并對照圖紙熟悉相關的閥門。確定用水容量，對供
水影響較小的時段作為比對的實驗時間，制定詳細計劃，安排人員。首先將清水池內水位調
至高水位，取水泵房停機，關閉相應閥門，確認沉淀池集水槽不再出水，濾池過濾完畢。待
清水池水位穩定后測量記錄水位；然后與秒表對時，打開送水閥，供水泵房開機送水。t小
時后供水泵房停機，待水位不再變化時記錄水位，得到水位變化值么h。廠裝流量計、標準
表按校對的時間自動記錄數據，將累計流量終值減去累計流量初值得到各自t小時的累計流
量。清水池的容積變化直接通過測量水位變化計算出來。比對原理如圖1所示。
l——取水泵2——取水閥3——過濾池4一清水池
5——被校電磁流量計伊—。供水閥7_——供水泵
圖l 水廠大型水池容積法現場比對原理圖
容積法的主要誤差來源有以下一些方面：首先是水池面積的丈量誤差。水池容積用幾何
丈量法的度一般能達到0．2％～0．5％：其次，水池水位下降的測量也產生誤差，不管采用
重錘法還是水位儀法，作為計算容積的重要參數之一，要求校驗一次水位高度差盡可能大(zui
好超過Ira)，以減少水位高度讀數的相對誤差；再者，利用現成的水池、管道、閥門，一般
只能用總量比較。大管徑閥門開啟時間較長，因此，實流校驗時間應盡可能長，減少啟停閥
門流量變化的影響。而且，清水池進水閥門關閉的密實程度也產生誤差，要確認水池及閥門
管道無泄漏和外流；水池處于干燥狀態還要考慮水泥的吸水量，預先浸潤。
容積法是一種zui基本、直觀、可靠的方法：許多自來水公司都實際采用此方法對電磁流
量計比對校驗，且效果明顯j若水池合適，管線布置合理、有較長的校驗時間，操作上仔細
配合好，一般可達到1．5曠2．5％精度，*可達到1％。
2外夾裝式換能器超聲流量計法
目前，國內很多供水公司用便攜式超聲波流量計進行現場電磁流量計的度比對“’·
一般用于現場比對的超聲波流量計的度和重復性約4-(1～1．5)％左右，低于被校驗電磁

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仁i旆跚5第六屆工業儀表與自動化學術會議論文集
流量計約±0．5％。但由于操作簡單易行，投入的人力物力不大，成本相對低廉，在供水行業
應用也很普遍。
為了取得比較好的比對結果，應該注意以下幾點：
①正確選擇測量點和進行準確的管道參數測量
測量點的選擇保證上游10倍以上管徑的直管段，下游5倍以上管徑的直管段。如
果測量點上游是泵站，距離35倍以上管徑直管段長度。測量點處的管道不能有明顯的
下降坡度。測量點處要求無焊縫、距離承插接口較遠、無震動及電磁干擾源等：
管道直徑和管壁厚度要用大卡尺和測厚儀分別多點測量后取其平均值，管道內徑誤差1％
會引起測量值產生2％的誤差，所以必須準確測量。管內壁襯里材料及厚度、管壁內結垢情況
等要盡可能直接測量。
②超聲波換能器的安裝
測量點管壁應打磨光亮，無較深的麻坑，嚴格按超聲波流量計計算出來的距離安裝換能
器，兩個換能器必須安裝在同一軸線上。能夠用V法安裝探頭時盡量用V法安裝，與Z法比
較其聲波傳輸距離增加一倍。對較小的管徑來說．減少測量誤差明顯。換能器間距安裝偏差
1％，附加誤差l％：45。聲路角偏差I。，附加誤差1．7％。
換能器安裝完畢后觀察信號接收強度值，輕微調整換能器安裝位置與距離，使信號接收
強度值達到2％以上。測量值較穩定時。查看聲波傳播時間百分比數，使其越接近100％越好。
③其他干擾的排除
在周期性比對測試中，每次測量點應固定的*性測量點。在比對測試完成后，在換能
器的四周管壁涂刷防腐漆，取下換能器后在安裝位置抹上黃油，并貼上一塊塑料布，用以保
護測量點。下次測量時，取下塑料布，擦掉黃油，用手錘擊打測量點，將管道內壁新近結垢
震掉，按防腐漆所留下的標記裝上換能器即可測量，方便準確。
若聲波信號接受很弱或時有時無，則可能是管道內壁結垢太厚，或者是管內含有大量氣
體，使聲波經常被阻斷所致。可先用手錘擊打測量點，如果接受的信號強度不斷上升，說明
是管壁結垢引起。如擊打無效，則多為管內含有大量氣體所致，排除氣體即可。
此外。還可以改變便攜式超聲波流量計換能器安裝位置或方式，探測現場管段流動狀況。
例如，沿著管圓周移動兩換能器，核對所測不同位置的線平均流速，zui大流速處可能就是zui
接近實際的平均流速位置，因為在zui不對稱位置的流速畸變所形成的平均流速讀數zui小。比
較換能器按Z法和V法安裝所測得的流速，如兩者相差很大，表明存在嚴重橫向流動，也就
是有旋轉流的跡象，應引起注意，采取措施。
總之，用便攜式超聲波流量計對在線電磁流量計進行比對測試，只要準確操作，盡量減
少隨機誤差和附加誤差，基本上可以對電磁流量計現場測量的穩定性和重復性作一個大致的
定性評估。對于確實測量不穩定、度和穩定性偏差較大的長期現場應用的電磁流量計可
以及時檢測出來．從而采取更和更有針對性的方法和措施，滿足現場計量和測試的需要。
仔細操作一般可達到3％~5％的精度狀況，操作租糙時誤差甚至達到lo％。
3插入式渦輪流量計法
插入式渦輪流量計與固定安裝正在使用中的電磁流量計等作流量比對，其原理和目的等
與用便攜式超聲波流量計有相似之處。

插入式渦輪流量計組成大管徑系統的測量精度低(2．5％～5％)，因為即使渦輪流量傳感
器有較高的精度(流速的0．5％～1％)，但加上流通面積測量誤差以及流速分布系數／阻塞系數
的不確定性等就不～樣了，但有優異的熏復性(0．25％～0．5％)。如果在同一位置定期用渦輪
濰量計與在用流量計比對，與新裝后比對數據比較，可以評估現場電磁流量計運行是否
正常準確。
4串聯管段式流量儀表法
串聯管段式儀表法現場比對是借鑒標準表比較法的校準方法演化而來的。
按JJG 643—94《標準表法流量標準裝置檢定規程》要求，裝置準確度應不低于被檢表準
確度的1／2。標準表的前后直管段一般不小予同類型普通表直管道的長度，被校表的前后直
管段應滿足說明書的要求。標準表與被校準表之間的連接管段的容積，在滿足直管段要求的
情況下應盡可能小。流量調節閥一般應安裝在表的下游側，調節性能要穩定嘲。
由于在使用現場同時安裝一臺高精度標準表代價太高，有些自來水公司在出廠水管線安
裝兩臺電磁流量計，或在交接點供需雙方各裝一臺儀表相互比對。兩臺表的精度等級盡管一
致，但由于電磁流量計本身精度和穩定性較高，一般可達到0．5％。所以在同一管線上正常運
行時測量值差別不大且差值穩定有規律。若兩臺表測量值間差別出現異常，可以分步送檢。
一旦其中一臺儀表發生故障，另一臺照常工作，不會計量中斷而發生糾紛。
此方法雖然成本較高，需要配置兩臺電磁流量計，但在～些重要的大口徑計量和貿易結
算測量點還是比較受水行業供方和需方歡迎的。
5水泵臺時計量比照法
水泵臺時計量比照法是很早采用的經驗方法，．目前基本不再作為正式依據，僅作為定性
維護的補充，有的地方還沿用著。
對于任何時候都不允許停止計量的特殊場合，當計量用流量計有突發故障，～時又難于
排除且無法用其它流量儀表替代時，短時間幾天內用水泵臺時計量比照法是可行的。
6 電磁流量計的在線周期檢定和檢查
上述的一些現場檢查和比對方法，雖然可以在某些程度上滿足供水行業大口徑電磁流量
計的周期檢查，但總體成本還是較高，操作不易，比對度也偏低。
電磁流量計的在線周期檢定和檢查，主要是通過定期對電磁流量計作全面的檢查，傳感
器不卸下管道，在線測量電極電路絕緣和勵磁線圈絕緣等傳感器重要參數和指標；轉換器用
模擬信號器等作單獨的檢查和校準，根據檢查的結果和歷史數據比較，確定儀表是否繼續使
用、修補還是更新。轉換器的使用壽命一般15-一20年。現場在線檢查電磁流量計的內容主
要有整機零點檢查，以及流量傳感器、轉換器和連接電纜三部分分開檢查。下面以CaiHaster
檢驗器為例協_1，對電磁流量計的在線檢查和驗證進行削析。
CalHaster是ABB公司電磁流量計的在線檢查和驗證檢驗器，是通過對幾千臺UagMaster
電磁流量計的應用經驗和數據收集，結合技術的發展研發的一套專門針對電磁流量計無法離
線校驗情況下的在線性能檢查和驗證的檢驗器。其基本結構如圖2所示，主要有：CalHaster
檢驗單元，包括控制盒、內置充電電池和連接電纜；基于Windows住、Help Wizard的軟
件：一個維護包，包括幫助系統、在線診斷、檢驗單元。
圖2 CalMaster在線檢驗工作示意圖
CalMaster對電磁流量計的測量系統進行檢查，包括電磁流量計的傳感器、轉換器以及
兩者之間的連接電纜；安裝在筆記本電腦里的軟件可以存儲檢驗數據，進行現場電磁流
量計使用狀態的長期趨勢分析和儀表故障預報警。
CalMaster對電磁流量計本體進行檢驗，檢驗的內容主要是線圈檢查、電極檢查、轉換
器檢查和電纜檢查。線圈檢查在于檢查勵磁線圈的導通性、線圈的阻抗、線圈對地絕緣性以
及線圈電感，檢查這些項目的值和變化值，從而推算出磁場強度變化狀況：同樣，檢查
電極的導通性、電極阻抗和電極絕緣等值和變化值，可以了解電極的變化情況；轉換器
的檢查涉及的方面較多，如核對設定值、檢查勵磁電流、零點漂移、正反向量程、電極上直
流(電壓)偏移、電流輸出、正反l每輸出頻率等項目的值和變化值；電纜檢查主要檢查
屏蔽接地狀態，如驅動屏蔽對地、總屏蔽對地、信號地接點對地等變化狀態。
通過對這幾部分的檢驗和分析可以判斷出電磁流量計本體工作狀態、傳感器和轉換器之
間連接引起的故障、電磁流量計安裝引起的故障以及測量介質引起的故障。
6．1連接故障或問題檢查
①勵磁線圈的連接：通過檢查勵磁線圈的導通性、線圈的阻抗、線圈對地絕緣性以及
線圈電感可以導出結論。
②電極連接：檢查電極的導通性、電極阻抗和電極絕緣，結合設定值的檢查結果，可
以導出電極連接的狀態。
③屏蔽連接：檢查電纜驅動屏蔽對地、總屏蔽對地、信號地接點對地等方面，即可判
斷電纜的屏蔽連接情況。
④接地連接：通過勵磁線圈導通性、線圈對地絕緣、電極的導通性和電極絕緣狀態的
檢測，可以推斷接地連接狀態。
⑤驅動屏蔽連接：由電極絕緣和驅動屏蔽對地檢查結果來判斷。
⑥電纜切斷或損壞：包含很多狀態，如所有芯線開路、所有芯線短路、有些芯線開路，
或有些短路、有些芯線切斷、電纜浸水等。這些情況可以通過勵磁線圈各項檢查和電極特性
的各項檢查，結合電纜各種屏蔽對地檢查結果進行綜合分析得出結論。
6．2總體安裝引起的故障或聞題檢查
①儀表浸水(傳感器進水)：檢查勵磁線圈的導通性、線圈對地絕緣性、線圈電感，結
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厶IRB Lq)OS第六屆工業儀表與自動化學術會議論文集
合檢查電極的絕緣以及驅動屏蔽對地的狀態可以判斷電磁流量計傳感器是否進水(或內部受
潮)。
②電極污染：對比電極導通性的值和變化值可分析電極受污染狀況。
③電極泄漏和電極被腐蝕：可以通過電極的導通性和電極絕緣狀態的檢查進行判斷。
④電極上直流電壓過高：主要通過檢查電流輸出情況判斷；
⑤襯里損壞(泄漏)或襯里磨損：通過電極阻抗和電極絕緣的測量結果判斷。
⑥襯里附著導電層或附著絕緣層：通過檢測電極的導通性判斷：
⑦傳感器損壞(布線損壞或線圈損壞)：通過對電磁流量計本體傳感器的勵磁線圈、電
極特性和電纜各種屏蔽對地狀況進行全面綜合檢查，比較其值和變化值后進行總體判
斷。
6．3測量介質引起的故障檢查
①流量傳感器上游加入化學品：檢測電極的阻抗和電流輸出狀況，從而分析是否有上
游化學品加入。
②空管或部分空管：通過檢查電極的導通性和電極絕緣了解。
③介質導電率過低：檢測電極的導通性，可分析出介質電導率是否過低。
總之，通過儀表原始數據與CalMaster檢查的現場儀表數據變化值進行對比。據稱標準
檢驗可達±2％，有記錄儀表原始數據時，則可達原標定精度的±1％。
7結束語
上海地區自來水公司和原水公司在電磁流量計制造廠的配合下，探索并積累了幾百臺大
口徑電磁流量計檢查經驗，起草了《大口徑電磁流量儀在線校驗方法》。上海水務局在此文
件基礎上制定了《電磁流量儀在線校驗規范》。隨著技術的發展和完善，以及現場電磁流量
計使用經驗的積累和更深入研究，大口徑電磁流量計在應用現場的在線校驗技術將更加成
熟，并將得到更廣泛的推廣和接受?，甚至有可能zui終取代傳統的其他一些現場比對驗證的
方法，更大程度提率和效益。