大家好，我報告的題目是“流量儀表的在線校準(zhǔn)及數(shù)據(jù)有效性理念”。報告分為四部分內(nèi)容，首先介紹一下計量院熱工所流量室，介紹一下目前我們的研究方向；然后介紹供水行業(yè)計量需求，討論可行的計量保證方案，以及目前我們正在針對大口徑及明渠流量計在線校準(zhǔn)進(jìn)行的研究工作。

000011  計量院流量室介紹

中國計量科學(xué)研究院是我國最高的計量技術(shù)機(jī)構(gòu)，在北京和平里和昌平各有一個院區(qū)，共有在編職工800人左右。計量院主要負(fù)責(zé)研究、建立、保存、維護(hù)國家計量基準(zhǔn)和國家計量標(biāo)準(zhǔn)；開展國際比對，實現(xiàn)國際等效；承擔(dān)相關(guān)國內(nèi)國際標(biāo)準(zhǔn)修制定工作；開展新技術(shù)、新領(lǐng)域計量研究，服務(wù)國家戰(zhàn)略需求和重點(diǎn)行業(yè)。

熱工計量科學(xué)研究所共有四個研究室，分別為輻射測溫、接觸測溫、壓力真空、流量。流量研究室目前有五個主要的研究方向，面向不同的行業(yè)需求。其中氣體包括天然氣計量、煙氣計量、風(fēng)速計量，液體包括實驗室冷熱水計量、現(xiàn)場水流速流量計量。

我負(fù)責(zé)現(xiàn)場水流速流量的計量，主要依托實驗室的拖曳水池流速標(biāo)準(zhǔn)裝置和明渠/大口徑管道流量裝置，研究水資源計量、污水計量、水電站效率計量等現(xiàn)場流量計量問題，以及水文、海洋等行業(yè)中的流速計量問題。

000012  供水行業(yè)流量計量需求

首先，流量計量起步于法制計量，是民生計量最主要的組成部分。大家都知道，國家質(zhì)檢總局發(fā)布的國家重點(diǎn)管理的計量器具目錄中，總共九種計量器具中跟流量相關(guān)的是四種，為水表、煤氣表、加油機(jī)和熱能表。近些年，隨著能源和資源的短缺，天然氣、油品、水等的流量計量需求迅速增長，變得越來越重要。特別是我國水資源嚴(yán)重缺乏，提出執(zhí)行“最嚴(yán)格的水資源管理制度”，建設(shè)節(jié)水型社會，對水表的性能和工作方式不斷提出新的要求。從第一臺水表問世，水表已有近二百年的歷史，從直讀表、到IC卡表，還有帶防倒流功能的水表、解決滴漏計量問題的水表等等。隨著應(yīng)用量的增加對其功能的需求一直在提升，技術(shù)改進(jìn)一直沒有中斷。水表用于貿(mào)易結(jié)算，是強(qiáng)檢計量器具，也是國家重點(diǎn)管理的計量器具。

除了水表之外，城市供水干網(wǎng)還用到了大量的大口徑電磁流量計、超聲流量計等，大量流量計的口徑超過1m。引水調(diào)水工程中還用到了很多明渠流量計，包括矩形明渠和梯形明渠，其中以超聲流量計居多，比如南水北調(diào)中線就安裝了超過200套的明渠超聲流量計。這些流量計基本都用于水量交接，也需要進(jìn)行計量檢定。另外，部分企業(yè)內(nèi)部也安裝了很多流量計，用于節(jié)水計量等等，比如很多水電站安裝了流量計用于監(jiān)測流量，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，提高發(fā)電效率。這些特殊測量需求都促進(jìn)了流量計水平的大幅度提升。

近年來，水污染防治成為水資源保護(hù)的當(dāng)務(wù)之急，流量的測量是其中重要的保證措施。部分污水管道和渠道上安裝了流量計用于排污的管理。管道流量計以電磁和超聲居多，渠道上則以堰槽流量計居多。這些流量計由于測量的是污水，其量值溯源方法也有一定的特殊性。

000013  數(shù)據(jù)有效性理念和計量保證方案

我們通過流量計量檢測來達(dá)到什么目的呢，歸根到底主要是兩個方面。第一個目的是保證流量量值的準(zhǔn)確和統(tǒng)一，因為貿(mào)易雙方需要認(rèn)可一致的計量數(shù)據(jù)作為貿(mào)易結(jié)算的基礎(chǔ)；很可能貿(mào)易雙方都有測量，而結(jié)果有差異，這樣勢必造成貿(mào)易糾紛。另一個目的是對儀表的公正評價，如果沒有這個評價，可能大家都天花亂墜地說自己的產(chǎn)品如何好，而用戶將無從評判，不利于行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。

目前法規(guī)給出的方法是在實驗室的水表裝置或水流量裝置上檢定，然后拿到現(xiàn)場安裝使用，再按檢定規(guī)程規(guī)定的檢定周期返回實驗室進(jìn)行檢定。我們來看一下計量的范圍和過程，可以分為四個環(huán)節(jié)：計量基準(zhǔn)à計量標(biāo)準(zhǔn)à測量儀器à有效數(shù)據(jù)。流量計量的源頭是流量基準(zhǔn)，各國之間通過進(jìn)行比對來保證裝置間的量值統(tǒng)一；流量基準(zhǔn)通過一定的方式保證各計量標(biāo)準(zhǔn)的量值一致性，包括裝置量值核查和量值驗證性試驗等；然后利用計量標(biāo)準(zhǔn)檢定測量儀器，并由測量儀器獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)。實際上，用戶最關(guān)心的是最終測量數(shù)據(jù)的有效性，而并非測量儀器是否有檢定證書。

水表不是高精度的和高技術(shù)的，但是長期穩(wěn)定的使用需要嚴(yán)苛的性能考核，而其量大面廣導(dǎo)致需要考慮檢測的成本。戶用水表因為關(guān)系到廣大用水居民的利益而得到了重視，國際上也有較為成熟的檢測方法和較為完整的技術(shù)文件，其檢測得到了較好的解決。但是我們認(rèn)為得到較好解決主要是因為戶用水表的計量要求一致，安裝要求一致，量大面廣，有比較專業(yè)的安裝隊伍。總之，得到解決的原因在與規(guī)模化的生產(chǎn)和規(guī)范化的安裝。

但是在現(xiàn)在的管理體系下，水計量還存在一些問題，現(xiàn)在反映比較強(qiáng)烈，主要有這樣幾方面。首先是實驗室可能沒有能力檢定所有的流量計，目前國內(nèi)能夠在穩(wěn)定的流量下，在流量計的全量程按規(guī)程開展檢測實驗的實驗室是國家水大流量計量站，口徑到1.6m。我們認(rèn)為在建設(shè)管線之初，需要考慮標(biāo)定困難的問題，不要用太大的輸水管道；如果輸水量大，可以分成多個管路來處理。但確實有很多情況是沒有考慮標(biāo)定困難的問題，流量計買得太大了，或者是要在現(xiàn)有的管線上加裝流量計，現(xiàn)場安裝的流量計，根本沒有辦法到實驗室去檢測。

第二個問題，很可能實驗室里檢定合格的流量計現(xiàn)場用著并不好，比如一個口徑很大的管道里面通常流的水流速很低，沒有達(dá)到流量計的下限流量范圍；也可能安裝時對中不好，前面有彎頭或離閥門太近；還可能附近有太多的電磁干擾，或者流量計離閥門太近，一直在振動，影響了流量計的輸出。

這樣的話，即便是有一個流量計的合格證書，但在現(xiàn)場流量計的實測數(shù)據(jù)依然可能會有過大的偏差，實際的測量結(jié)果并不好。另外，檢定周期在一兩年左右，流量計拆下來運(yùn)出去，現(xiàn)場還不能停止供水，非常麻煩。檢定的數(shù)據(jù)可能非常好，不檢也沒問題；也可能漂移量很大，后悔沒有早送檢。問題的核心可能是檢定周期不太合理，比如所有渦輪流量計共用一個規(guī)程，兩千元的流量計和五萬元的流量計沒有差異，但如何差異化對待大家也沒有清晰的認(rèn)識。

針對如上問題，我們的解決方案有三點(diǎn)：第一，在供水管線施工前為流量計安裝方案做單獨(dú)的設(shè)計，要有足夠的重視；要考慮流量計口徑是否適于檢定，要考慮流量計上下游配管是否滿足要求，甚至要考慮送檢時備用表的問題；如果是在已有管線增加，考慮是否有可能對管線做一定的改造，等等。第二，實驗室檢測并現(xiàn)場安裝后，應(yīng)做經(jīng)常性的量值核查；特別是對大口徑流量計，在流量計安裝后可以做一次量值核查。第三，對于無法開展實驗室檢測的超大口徑流量計，可以實施在線校準(zhǔn)技術(shù)。

量值核查并不是檢測，而是監(jiān)測這臺流量計的量值是否有變化。這里列了幾種監(jiān)測的方式。第一種監(jiān)測的原理是：流動對于兩臺原理不同的流量計產(chǎn)出的量值漂移不大可能是完全相同的趨勢，因此將兩臺流量計串聯(lián)安裝，比如一臺電磁一臺超聲；如果兩臺流量計指示流量的量值一致，或者兩者的差值和最初的時候變化很小，這個時候都可以認(rèn)為流量計工作正常，不需拆下標(biāo)定。為什么要用原理不同的流量計呢？這是因為同樣原理的流量計可能會產(chǎn)生同樣方向和同樣強(qiáng)度的漂移，比如兩臺都沒有磨合好的渦輪流量計，在磨合過程中就可能會有同方向的漂移。第二種方法是雙傳感器流量計，比如雙渦輪流量計，這兩個渦輪從葉片數(shù)量，到扭曲角度都是完全不同的，兩個渦輪會有完全不同的表現(xiàn)。第三種方法叫做自診斷，這是因為大口徑測流用的流量計主要是電磁和超聲兩種，而這兩種流量計在計量性能發(fā)生變化時都是因為有些電參數(shù)發(fā)生改變，因此在首次安裝后，測量這些電信號并保存，然后監(jiān)測這些電參數(shù)的變化趨勢和水平。這個核查方法是明確的，是合理可行的，但到目前為止，積累的數(shù)據(jù)并不豐富，所以具體的判據(jù)尺度還需摸索，也歡迎有興趣的企業(yè)和機(jī)構(gòu)和我們一起推進(jìn)這個方法。

我們認(rèn)為這個方案是一個進(jìn)步，方便了用戶，甚至于在安裝條件惡劣的情況下也改進(jìn)了計量性能，因為我們做了有針對性的分析。問題是可能與現(xiàn)有檢定規(guī)程不符。首先我們給不出檢定周期，或者說我們認(rèn)為給檢定周期的方式不合理；然后檢定是合格評定，我們做的是校準(zhǔn)，這之間不存在三倍傳遞的關(guān)系；不是靠檢定周期，但要用到流量計本身自診斷的方法來對流量計開展核查。因此針對超聲流量計已經(jīng)出臺了大口徑現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范，但不是檢定規(guī)程。

有很多人說，我們是貿(mào)易結(jié)算所以要檢定證書。多年來我們一直在呼吁的一件事就是：校準(zhǔn)+核查=檢定，其實，我們認(rèn)為校準(zhǔn)+核查是大于檢定的，因為檢定周期的科學(xué)性和合理性是很可疑的，只有在戶用水表這種使用情況高度一致，性能要求高度一致，量大面廣，能夠做細(xì)致的和嚴(yán)苛的定型實驗，且在實驗后不再對材質(zhì)工藝等進(jìn)行修改的情況下檢定周期才是科學(xué)的，國際上也基本上都是這樣認(rèn)定的。

對于工業(yè)用流量計，一則不會有那么大的量，因此做復(fù)雜的型式評價實驗不值得，二則技術(shù)改進(jìn)是隨時的，無法保證材質(zhì)工藝不改變，所以國際上都是采用校準(zhǔn)+核查的方法。而且校準(zhǔn)不需要三倍的傳遞關(guān)系，個性化的量值保證方案能夠獲得更高性能。所以用戶需要充分了解計量的內(nèi)涵，能夠認(rèn)同校準(zhǔn)的意義，貿(mào)易雙方可以協(xié)商一致采取非檢定的方案實現(xiàn)計量。但因為是合同，還是需要謹(jǐn)慎，比如應(yīng)先形成計量保證方案文本，并以合適的方式通過審查，其中明確規(guī)定后續(xù)的執(zhí)行方式，明確委托的第三方機(jī)構(gòu)。

000014  大口徑及明渠流量計的在線校準(zhǔn)研究

關(guān)于現(xiàn)場檢測技術(shù)，我們從2008年起針對超聲時差法進(jìn)行了持續(xù)的研究工作。問題來自于三峽電站安裝的六臺超大口徑流量計，口徑12.4m，無法開展實流校準(zhǔn)，廠家又迫切希望了解其準(zhǔn)確度。

大家都知道，超聲流量計是利用超聲在流動的水中傳播時，向上游和向下游傳播的時間差來測量流速進(jìn)而測量流速的，只有有了準(zhǔn)確的幾何參數(shù)和準(zhǔn)確的時間測量就有了準(zhǔn)確的流速，再按照合理的權(quán)重系數(shù)加權(quán)平均就能得到平均流速和流量。于是我們從超聲流量計的原理出發(fā)，從幾何參數(shù)、傳播時間和權(quán)重系統(tǒng)等幾個方面對流量計準(zhǔn)確度的影響因素進(jìn)行了認(rèn)真的考量，給出了合理的流量修正方法及其不確定度。

對于幾何參數(shù)，我們發(fā)展了基于三維坐標(biāo)掃描的流量計管段立體重建和幾何參數(shù)自動計算方法，利用全站儀或測量臂對現(xiàn)場幾何參數(shù)進(jìn)行精確校準(zhǔn)。在若干水電站的流量計中進(jìn)行應(yīng)用，效果非常好。對于三峽電站，由于流量計安裝在S型彎管下游，緊鄰水輪機(jī)導(dǎo)葉，基本上前后直管段都等于零，完全不同于常規(guī)的流量計安裝條件。我們利用實驗和數(shù)值模擬結(jié)合的方法，評估了流量計處復(fù)雜流場的影響，對這種特定流場的影響進(jìn)行了修正。

除了以上針對超聲流量計的特點(diǎn)進(jìn)行非實流校準(zhǔn)的方法，近兩年我們還在開展基于超聲時差法流量標(biāo)準(zhǔn)組件的在線校準(zhǔn)方法研究。超聲時差測流只要實現(xiàn)了精確的幾何參數(shù)測量和傳播時間測量，不再依賴流量裝置進(jìn)行標(biāo)定，具有實現(xiàn)便攜式流量標(biāo)準(zhǔn)組件的基礎(chǔ)。因此我們專門針對特定的換能器和超聲波形算法進(jìn)行研究，確保傳播時間的準(zhǔn)確性；針對現(xiàn)場幾何參數(shù)測量方法，通過多種手段聯(lián)合確認(rèn)幾何參數(shù)的可靠性；再考慮如何準(zhǔn)確的由線速度計算面平均速度，可以在現(xiàn)場提供一個流量的標(biāo)準(zhǔn)值。

我們設(shè)計的量值保證體系中還會對流量標(biāo)準(zhǔn)組件的流速測量能力在拖曳水池流速標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行周期性的確認(rèn)，利用靜水動車相對法去精確校驗流速的零點(diǎn)及其分辨能力，數(shù)據(jù)顯示超聲測流法的有效分辨力在0.1mm/s，非常敏感和可靠。拖曳水池流速標(biāo)準(zhǔn)裝置是水流速的源頭。我們申請了一個項目專門開展拖曳水池裝置本身的研究，來支撐我們在流速流量現(xiàn)場校準(zhǔn)能力，包含車速動態(tài)校準(zhǔn)、背景流速監(jiān)測、示蹤粒子播撒等，并研發(fā)流速比對組件，研究不同水池裝置間、水池與風(fēng)洞間流速量值一致性關(guān)系。瑞士計量院的拖曳水池裝置是世界上研究水平最高的裝置，我們也和他們建立了很好的合作關(guān)系。

我們還在中國水科院大興試驗基地搭建了明渠測試系統(tǒng)，依托實流校準(zhǔn)過的管道流量計和流量穩(wěn)定的供水系統(tǒng)，開展明渠超聲流量計的流速代表性研究。超聲時差法測量的是探頭對之間的線平均流速，計算流量需要解決線流速代表性和面流速代表性問題，其中前者源自于探頭及底座突出引起的局部擾流和不完整采樣，后者源自于有限個線流速計算面平均流速的積分誤差。線流速代表性是流量標(biāo)準(zhǔn)組件中最大的不確定度來源之一。我們還開展了一系列實驗專門研究它，包含探頭凸出結(jié)構(gòu)附近流場精細(xì)測量等。

我們的便攜式流量標(biāo)準(zhǔn)組件，基于可溯源的超聲時差法，流速測量能力在拖曳水池中進(jìn)行周期性確認(rèn)，探頭突出影響專門進(jìn)行修正，利用差分法測量聲速并核查聲道長度和角度，等等。我們希望今年能首先針對最簡單的規(guī)則明渠工況開展一兩個現(xiàn)場試點(diǎn)工作，比如對污水計量中的巴歇爾槽進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。試點(diǎn)工作要突出數(shù)據(jù)有效性和現(xiàn)場易用性，前者是說數(shù)據(jù)可溯源，準(zhǔn)確度有保障；后者是說現(xiàn)場操作簡單、方便，用時盡量短，不同操作者校準(zhǔn)結(jié)果無明顯差異。

000015  小結(jié)

輸供水計量中的流量計由于具有個性化特點(diǎn)，應(yīng)采取差異化的計量方式。計量設(shè)施應(yīng)在供水設(shè)施設(shè)計時同步設(shè)計并施工，并符合計量要求。基于量值核查和在線校準(zhǔn)的計量保證方案，一定程度上比現(xiàn)有的檢定的方式更科學(xué)合理，計量保證方案要合理設(shè)計，后續(xù)的檢測校準(zhǔn)要跟得上，才能保證測量數(shù)據(jù)的有效性。