水与废水 | 大口径流量计采用体积流量测量方式

在大型配水管网中，使用口径超过48英寸的流量计对巨大水量进行测量。这种大尺寸会造成一个影响，就是哪怕最小的误差也会被放大。因为几乎没有合适的设施能容纳这些大口径的流量计，所以很难对它们作校准。

认证

确保测量准确的最佳方法之一，是在经认证的校准台上校准主测量装置。认证是为判断该校准装置是否符合认可的行业标准而进行的独立评估。校准台的准确性只能够由公认的机构来验证，以确保合规性。

每个国家都有负责认证校准设施的专门机构。以美国为例，大多数人都以为是由国家标准与技术研究所（NIST）来认证校准设施。但实际上，NIST并不直接认证校准设施，而是监督国家实验室自愿认证计划（NVLAP），该计划为测试和校准实验室提供第三方认证。

NVLAP认可实验室是根据国际标准ISO/IEC 17025：2005中公布的管理和技术要求来进行评估的。虽然要求校准设施必须通过ISO/IEC 17025：2005认证，但是此要求只能证明实验室和相关人员具备足够的能力，实际上并未认证校准台本身。

实践中，是根据所在地由特定国家的计量组织来对校准台进行认证的。这些设立在许多国家的认证机构由权威机构来监管。国际实验室认可合作组织（ILAC）由国际上的实验室和检验认证机构合作构成。

ILAC成立于30多年前，其中的每个成员组织都要经过同行评估，以确保产品和服务的一致性，支持国际贸易。例如，英国认证服务机构（UKAS）与瑞士认证机构（SAS）彼此地位相当，作用相似，二者都类似于美国实验室认证协会（A2LA）和荷兰的Raad Voor认证机构（RVA）。

那么流量计用户如何知道他们的测量设备是否已经在认证的校准设施上校准到规定的精度？用户可以通过查看流量计制造商的校准设施认证组织，来检查制造商是否注册为ILAC的成员，从而予以判断。此外，用户还必须确认现有哪些尺寸型号仪表已经通过了认证。

流量计的校准

本文讨论的校准方法将仅限于标准仪表法或直接体积比较法。

一，标准仪表法

标准仪表是一种用作校准装置的系统，其测量性能已经得到公认标准的证明。通常，这些仪表都非常准确、稳定，但是仍然必须对它们进行验证和定期重新校准，以确保其性能一直保持有效。

校准台上的Altometer流量计。

使用标准仪表法的校准台可以实现精确的校准。然而，这种方法的不确定性较大。校准装置的任何不确定度都包括在校准的总不确定度中。此外，为了确保结果真实有效，标准仪表的尺寸应与被测仪表相当。例如，如果使用42英寸的标准仪表去校准84英寸的流量计，那么就不能达到校准所需的足够大的容量或流速。

二，直接体积比较法

还有一种最常用的校准方法是直接体积比较法。可以使用校准仪、校准塔或校验罐等装置来完成。该方法主要包括以下三个步骤，首先使已知体积的液体流过仪表，然后记录仪表的输出（通常为每体积计数的脉冲），最后将输出值与校准所用腔室的已知体积进行比较。

标准仪表校准装置的框图。

在校准仪上，使用高精度开关来对液流计时。当活塞或球体通过第一个开关时，开关立即被激活，当活塞经过第二个高精度开关时，第二个开关即刻被激活。将仪表流量的测量值与校准仪内腔的已知体积进行比较，并计算出仪表因子或校准因子。这种校准方法得到了业界的认可和广泛的应用。必须每年对这些校准仪本身进行校正（抽水）。因为校准仪的内腔体积是经过直接验证的，所以它的不确定度通常低于标准仪表的不确定度。

本文讨论的另一种直接体积法是采用校准塔或校准箱进行校正。应用该方法时，通常可以使用更大量的液体来校准，但是同时也可以按比例缩小，使用极少量的液体来对小口径流量计进行校准。

活塞校准仪的框图

类似于活塞校准仪，该方法也采用高精度开关来识别罐或塔中的两个水平点之间的精确已知的体积和流动时间。 将该体积与来自正被校准的流量计的总报告体积进行比较，并且确定仪表因数或校准因子。罐校准使用相同的方法，但是在填充罐而不是排空罐时记录开关之间的测量。

像Krohne这样的制造商，拥有高144英尺（44米）高、直径13英尺（4米）的大型校准塔，能够对大口径流量计进行直接体积校准。在校准期间，水流以130,000加仑/分钟（gpm）（1/2百万升）的流量持续数分钟地流过这些校准塔。

校准塔或校验罐的框图。

为什么校准对于设计工程师或最终用户很重要？简而言之，准确度等于金钱。下面我们将分析大口径电磁流量计。

电磁流量计实际上是一种流速测量装置，因为它测量的是导电流体通过磁场时的速度。当被测流体流经该磁场时，在仪表的两个电极之间形成与流体的流速大小成比例的感应电压。用流体的流速乘以测量截面的横截面积即可确定体积流量。大多数情况下，对于大口径流量计而言，其尺寸选择的依据是确保它们在任何场合下都能以每秒3~10英尺（fps）或每秒1~3米之间的流速工作。

电磁流量计的精度通常表示为测量值或流量的函数。例如，用标定精度为0.5％的小型流量计测量流速为200gpm的流体时，合理的预期值在1加仑内。然而，用具有相同标定精度的大口径流量计测量流速为每天1亿加仑流速（mgd）的流体时，预期值在0.5mgd或34,700加仑内。

对于较小口径的测量仪，可以在预期的最大流速下轻松完成校准，因此在整个性能范围内的测量都具有高可信度。

如果选用大口径流量计测量6至10 fps之间的流速，那么应该使用能够达到这种流速的流量校准台来对该流量计进行校准。但是，如果只能在该流速范围的10%或20%的范围内对流量计进行校准，那么您是否依然对流量计的性能深信不疑呢？

我们不妨来分析一个口径为72英寸的流量计，其最大流量为125mgd或86,800gpm，相当于6.8 fps的流速。这一数据听起来不像是无法校准的不合理流速，但是大多数电磁流量计制造商都无法在校准这种尺寸的流量计时达到或接近该流速。

为了能够出具业界认可的校准证书，每个流量计制造商的校准台都应该由认可的机构予以认证。 认证证书将列出校准台的总体积和尺寸。 该证书还列出了经过校验的校准台不确定度。

表1. 对于口径为72英寸的流量计，制造商能够达到的最大校准流量。

本文对几家大口径流量计制造商公布的一些认证证书予以简要总结，并将总结内容列于表1中。它们显示了在校准大口径流量计时可达到的流速。 这些数据基于口径为72英寸的流量计。

表2.制造商经过认证的最大流量计尺寸和流速。

表2显示了每个制造商经校准认证的最大口径流量计，以及对应的认证流速。该表中最右侧的一列显示了每个制造商在校准其最大口径仪表时能达到的流量，以及可用于校准的认可流速。

测量不确定度

在审查校准设施的认证证书时，还需要考虑一些其他的重要系数，那就是每个校准台的组合测量能力（CMC）或最佳测量能力（BMC）。CMC或BMC是某些不确定度的百分比，在这些不确定度条件下，测量值的可信度达95％。这是一个统计测量值，它表明，超过95％的情况下，校准的精度都在CMC或BMC栏中列出的认证精度范围内。

表3.公布的校准台认证CMC / BMC系数。

有趣的是，表3中的数据说明不同设备的CMC或者BMC差异巨大。不能忽视对校准流量计时所用校准台的认证。如果经认证确认校准台的精度比被校验流量计的目标精度高一个数量级，那么可以认为流量计性能的可信度更高。

结论

当选择大口径流量计时，用户还应考虑校准设施。 该设施的认证应该证明流量计经过了验证和校准，当将其安装在符合推荐的上游和下游直线管道中时，该流量计能够在整个流量测量范围内正常工作，并且工作性能非常可靠。