電子水表測量特性分析與研究

姚 靈,王欣欣

(寧波水表(集團)股份有限公司,浙江 寧波 315032)

0 引言

從提升水計量性能視角作出判斷，電子水表(即第二代智能水表)是今后水表產品的主要發展方向。電子水表的流量傳感器，由于主流產品沒有機械運動機構(如旋轉葉輪與活塞等)，因此具有測量范圍寬、測量準確度高、使用壽命長、壓力損失小、直接輸出電信號、測量特性容易修正等特點，是當前公認的新一代水表部件[1]。現行國家標準GB/T 778.1—2018根據不同使用場景要求，將水表產品計量性能劃分為兩個準確度等級，即1級水表與2級水表。基于目前的技術發展，在測量性能一致性極優的電子水表產品中進行嚴格的特性校準，是實現1級準確度等級水表的唯一途徑。因此，深入分析并研究電子水表測量特性是開展水表特性校準的一項重要工作。

1 水表測量特性

1.1 電子水表構成

水表中的流量傳感器是基于電原理或電子原理進行測量工作的，如利用法拉第電磁感應定律構建的電磁水表、利用超聲波渡越時間法構建的超聲水表，以及利用射流附壁效應與反饋振蕩原理構建的射流水表等。作為新型水表，電子水表通常可以包括某些特殊結構的帶電子裝置的機械水表，如流量傳感器利用旋轉葉輪(速度式)或旋轉活塞(容積式)結構的機傳電顯水表等。電子水表分類如圖1所示。

圖1 電子水表分類

1.2 關鍵性能指標

電子水表的計量性能主要是由最大允許誤差與重復性等指標構成的。最大允許誤差規定了在流量測量范圍內，水表示值誤差不能超越的界限(也可稱其為測量誤差的邊界值)，并分為高區和低區，分別規定了相應的最大允許誤差的限值。而重復性指標則規定了所有準確度等級的電子水表，在其流量測量范圍內的測量重復性均應不超過其最大允許誤差限值的三分之一[2]。

1.3 額定工作條件

額定工作條件是水表產品能根據設計要求進行正常工作的基本條件。它由流量范圍 (最小流量Q1至常用流量Q3)、環境溫度范圍(5～55 ℃)、水溫等級(T30～T180)、環境相對濕度范圍(0%～100%)及壓力范圍(0.03 MPa到最高允許壓力)等組成。DN500以下管徑水表的最高允許壓力至少應達到1 MPa；DN500及以上管徑水表的最高允許壓力至少應達到0.6 MPa。

1.4 測量特性分析

圖2 電子水表測量特性示意圖

多數情況下，傳感器在進行非電量與電量的轉換過程中都會不同程度地出現非線性的測量特性。

2 測量特性表征

電子水表非線性測量特性是由傳感器產生的，因此對每類水表傳感器工作原理與測量特性的分析既有利于理論校準的實施，又有利于實流校準策略的選用。

以下是幾種電子水表傳感器的測量特性。

2.1 超聲水表

以換能器過軸線安裝的單聲道對射式超聲水表為例,發射與接收換能器組測量獲得的線平均流速與其對應的管道內面平均流速的關系為[3]：

(1)

(2)

式中：D為測量管內徑；φ為換能器與測量管軸線之間的安裝角度；Δt為超聲波正逆向傳播時間差；t1、t2為超聲波正向與逆向傳播時間。

所以有:

(3)

式中：k2為基于理論校準的實流示值微調系數;A1為超聲水表測量管段截面積。

如采用實流校準方法，則：

(4)

式中：k3為實流校準時的示值調整系數。

單聲道對射式超聲水表線-面平均流速關系如圖3所示。

圖3 超聲水表線-面平均流速關系圖

超聲水表未校準前測量特性系數變化如圖4所示。

圖4 超聲水表未校準前測量特性系數變化圖

超聲水表示值誤差曲線如圖5所示[5]。

圖5 超聲水表示值誤差曲線示意圖

2.2 電磁水表

在近似條件下，電極獲取的感應電動勢[6]為：

(5)

所以：

(6)

式中:k4為基于理論校準的實流示值微調系數。

如采用實流校準方法，可將式(6)化簡為:

qv=k5e

(7)

式中:k5為實流校準時的示值調整系數。

電磁水表傳感器測量特性如圖6所示。圖6中：a為電磁水表因內外部干擾導致零點處產生的輸出(漂移)值，即實際特性方程的截距；b為直線特性方程斜率(注：假設圖中b為恒定常量)。由圖6可知，電磁水表傳感器的測量特性具有良好的線性度。

圖6 電磁水表傳感器測量特性示意圖

2.3 射流水表

射流水表原理為[7]：

(8)

式中：f為射流在腔體內的振蕩頻率；Sr為斯特勞哈爾數；d為射流振蕩腔體的特征尺寸。

(9)

如采用實流校準方法,可將式(9)簡化為:

qv=k7f

(10)

式中：k7為實流校準時的示值調整系數。

射流水表傳感器測量特性如圖7所示。

圖7 射流水表傳感器測量特性示意圖

2.4 機傳電顯水表

機傳電顯水表是機械傳感電子顯示水表的簡稱。其儀表系數可表示為：

(11)

式中：Ki為機傳電顯水表在流量測量范圍內的任一流量點儀表系數；qvi為流量測量范圍內的任一流量點瞬時體積流量值。

Ni=Kiqvi

(12)

式中:Ni為對應流量點qvi的葉輪轉速。

機傳電顯水表傳感器測量特性如圖8所示[8]。

圖8 機傳電顯水表傳感器測量特性示意圖

圖8中:qvj、qvi為管道內任一流量點的瞬時體積流量值；Nj為任一流量值qvj對應的葉輪轉速；K為機傳電顯水表理想特性的儀表系數，為常量；Ki為機傳電顯水表實際特性的任一流量值qvi對應的儀表系數，為變量；Ni為任一流量值qvi對應的葉輪轉速；qs為水表始動流量。

機傳電顯水表典型的誤差曲線如圖9所示。

（1）支設模板：須注意平面位置、高度、垂直度、泛水坡度等的問題，模板與透水水泥混凝土接觸的表面應涂隔離劑。

圖9 機傳電顯水表典型的誤差曲線示意圖

由圖9可知，誤差曲線彎曲嚴重，具有明顯的非線性測量特性。因此，機傳電顯水表均需在實流條件下進行非線性校準，使其示值誤差較好地符合最大允許誤差的要求。

3 測量特性校準

3.1 校準條件

對電子水表開展特性校準需要具備一定的條件。其中的關鍵是被測水表的重復性必須控制在較小的范圍內(如各被檢流量點的重復性最好能控制在相應最大允許誤差限值的五分之一內)，而水表的示值穩定性指標也要符合相關標準的要求。只有符合這些基本條件，才能保證校準的有效性[9]。

對成批電子水表產品的校準，為了提高其校準效率，要求水表產品成批測量特性的一致性達到較高的水準。通常可采用抽樣測試的方法對成批測量特性的一致性作出評價與判斷。如：通過樣品的試驗標準偏差決定成批產品特性的發散性；通過樣品的均值誤差曲線決定成批產品的校準策略等。抽樣水表平均誤差曲線如圖10所示。

圖10 抽樣水表平均誤差曲線示意圖

校準后的電子水表還需按標準要求對其開展電子封印管理，保障其校準系數不被篡改與修改，確保法制計量的有效性。

3.2 校準方法

電子水表傳感器的測量特性校準方法通常可分為理論校準與實流校準[10]。

理論校準即非實流(干式)校準，適用于公稱通徑比較大的電子水表。理論校準可以避免制造費用昂貴的大口徑水表校表試驗臺，降低校表成本，但校準的不確定度相對較大。實流校準是采用容積法或質量法校表試驗臺對電子水表進行實流比較試驗的校準。通常情況下，實流校準的測量不確定度要高于理論校準的方法。

①理論校準。

要實現理論校準，首先要了解電子水表傳感器的輸入-輸出特性，即明確其測量原理及原理式，以及輸入-輸出之間的函數關系，并在此基礎上按分項指標進行數值確認。

因此，只要測得電磁水表傳感器測量電極上的e，乘上括號內的實測數值，就能得到管道內有一定測量不確定度的瞬時流量值qv。

理論校準的測量不確定度是由各測量值的測量不確定度綜合決定的。

②實流校準。

多數電子水表傳感器的測量特性是通過實流校準的。這是因為某些電子水表傳感器的測量特性具有復雜的非線性(如超聲水表、機傳電顯水表等)，需要在實流條件下對其進行分段校準。

如機傳電顯水表，在流量測量范圍內實際特性的儀表系數Ki是一個變量，也可以將其描述為被測體積流量或流速的函數。

(13)

由于機傳電顯水表的實際測量特性較復雜，很難用數學表達式進行統一描述，通常采用離散方式表達機傳電顯水表的測量特性。

(14)

通過分段方式，可以對每段測量特性給出一個擬合的特性校準方程，用于其測量特性的非線性校準。

Nt=mt+ctqvt,t=1,2,...,n

(15)

式中:ct為機傳電顯水表第t段擬合直線方程的斜率；mt為機傳電顯水表第t段擬合直線方程的截距；Nt為機傳電顯水表第t段擬合后的葉輪轉速特性；qvt為機傳電顯水表第t段被測體積流量范圍。

機傳電顯水表分段特性校準如圖11所示。

圖11 機傳電顯水表分段特性校準示意圖

分段校準方法通常有分段直線擬合法、分段及分段關聯系數法、神經網絡法等。

實流校準的準確度是由校準方法的合理性、水表校驗臺的綜合不確定度和校驗用水體積值等因素決定的。

③綜合校準。

某些電子水表，如單聲道對射式超聲水表，其測量特性的非線性比較復雜，因此前期需要采用理論校準法將其測量特性修正到接近直線的狀態，后期再采用實流校準方法進行微調與復核。如：首先分別采用理論校準方法對超聲水表處于層流和紊流狀態時的測量特性進行預修正，對過渡流狀態的特性進行直線特性的擬合；然后采用實流校準的方法進行細致的微調與復核，使超聲水表的測量結果被限制在較小的系統誤差范圍內。

對于電磁水表、射流水表等測量特性接近線性的水表以及非線性特性較嚴重的機傳電顯水表，也可以采用理論和實流相結合的方法進行綜合校準，以期達到較好的校準效果，從而最大限度地消除系統誤差的影響。

4 影響校準的因素

4.1 被測介質變化

經過特性校準的電子水表在投入使用時，管道內流體流動分布狀態應與出廠特性校準時的流態分布一致，否則將會導致校準的失效和水表測量特性的劣化。如：對于單聲道對射式超聲水表，流速分布畸變會使大流量測量段的示值誤差發生顯著的改變；對于電磁水表，因為測量管道內存在電極間的權重(空間分布)函數，流速分布畸變會在流量測量范圍內引入較大的系統誤差等。

管道內被測飲用水的水溫、水壓等指標超過標準規定的額定條件，也會影響電子水表校準的有效性。如：對于射流水表，當被測介質溫度發生較大改變時，因材料溫度系數的存在會導致d發生相應的改變，從而使f變化，最終使水表輸出值發生同步的變化；對于超聲水表與電磁水表，被測介質溫度顯著改變或安裝時承受非正常外力影響，都會導致D、L以及φ的改變，影響電子水表校準的有效性與準確性。

4.2 環境因素變化

環境影響因素如超出標準規定的要求，也會導致電子水表校準結果發生一定的偏移，如電磁環境影響(靜電放電、射頻抗擾度等)、氣候環境影響(高低溫、濕熱等)以及機械環境影響(振動、沖擊等)等。

4.3 其他因素影響

其他影響因素主要有實流校準方法的科學性與合理性、理論校準方法的測量不確定度，以及測量裝置的不確定度等。

5 結論

測量特性是電子水表傳感器的固有特性，是由其結構原理決定的。本文研究與分析了電子水表測量原理、輸入-輸出特性以及關鍵性能指標等，有助于深入理解電子水表的原理與特性、針對性地選用正確的校準方法、減少校準過程中的不確定性。通過特性修正，可以將電子水表的非線性特性與系統誤差控制在較小的允許范圍內，以最大限度滿足產品標準對水表出廠檢驗與現場使用等的要求。