大家好，我報(bào)告的題目是“流量?jī)x表的在線校準(zhǔn)及數(shù)據(jù)有效性理念”。報(bào)告分為四部分內(nèi)容，首先介紹一下計(jì)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(jì)量需求，討論可行的計(jì)量保證方案，以及目前我們正在針對(duì)大口徑及明渠流量計(jì)在線校準(zhǔn)進(jìn)行的研究工作。

000011  計(jì)量院流量室介紹

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

熱工計(jì)量科學(xué)研究所共有四個(gè)研究室，分別為輻射測(cè)溫、接觸測(cè)溫、壓力真空、流量。流量研究室目前有五個(gè)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(jì)量、煙氣計(jì)量、風(fēng)速計(jì)量，液體包括實(shí)驗(yàn)室冷熱水計(jì)量、現(xiàn)場(chǎng)水流速流量計(jì)量。

我負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)水流速流量的計(jì)量，主要依托實(shí)驗(yàn)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(jì)量、污水計(jì)量、水電站效率計(jì)量等現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)量問(wèn)題，以及水文、海洋等行業(yè)中的流速計(jì)量問(wèn)題。

000012  供水行業(yè)流量計(jì)量需求

首先，流量計(jì)量起步于法制計(jì)量，是民生計(jì)量最主要的組成部分。大家都知道，國(guó)家質(zhì)檢總局發(fā)布的國(guó)家重點(diǎn)管理的計(jì)量器具目錄中，總共九種計(jì)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(jì)量需求迅速增長(zhǎng)，變得越來(lái)越重要。特別是我國(guó)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(huì)，對(duì)水表的性能和工作方式不斷提出新的要求。從第一臺(tái)水表問(wèn)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(jì)量問(wèn)題的水表等等。隨著應(yīng)用量的增加對(duì)其功能的需求一直在提升，技術(shù)改進(jìn)一直沒(méi)有中斷。水表用于貿(mào)易結(jié)算，是強(qiáng)檢計(jì)量器具，也是國(guó)家重點(diǎn)管理的計(jì)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(jì)、超聲流量計(jì)等，大量流量計(jì)的口徑超過(guò)1m。引水調(diào)水工程中還用到了很多明渠流量計(jì)，包括矩形明渠和梯形明渠，其中以超聲流量計(jì)居多，比如南水北調(diào)中線就安裝了超過(guò)200套的明渠超聲流量計(jì)。這些流量計(jì)基本都用于水量交接，也需要進(jìn)行計(jì)量檢定。另外，部分企業(yè)內(nèi)部也安裝了很多流量計(jì)，用于節(jié)水計(jì)量等等，比如很多水電站安裝了流量計(jì)用于監(jiān)測(cè)流量，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，提高發(fā)電效率。這些特殊測(cè)量需求都促進(jìn)了流量計(jì)水平的大幅度提升。

近年來(lái)，水污染防治成為水資源保護(hù)的當(dāng)務(wù)之急，流量的測(cè)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(jì)用于排污的管理。管道流量計(jì)以電磁和超聲居多，渠道上則以堰槽流量計(jì)居多。這些流量計(jì)由于測(cè)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(jì)量保證方案

我們通過(guò)流量計(jì)量檢測(cè)來(lái)達(dá)到什么目的呢，歸根到底主要是兩個(gè)方面。第一個(gè)目的是保證流量量值的準(zhǔn)確和統(tǒng)一，因?yàn)橘Q(mào)易雙方需要認(rèn)可一致的計(jì)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(cè)量，而結(jié)果有差異，這樣勢(shì)必造成貿(mào)易糾紛。另一個(gè)目的是對(duì)儀表的公正評(píng)價(jià)，如果沒(méi)有這個(gè)評(píng)價(jià)，可能大家都天花亂墜地說(shuō)自己的產(chǎn)品如何好，而用戶(hù)將無(wú)從評(píng)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(shí)驗(yàn)室的水表裝置或水流量裝置上檢定，然后拿到現(xiàn)場(chǎng)安裝使用，再按檢定規(guī)程規(guī)定的檢定周期返回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢定。我們來(lái)看一下計(jì)量的范圍和過(guò)程，可以分為四個(gè)環(huán)節(jié)：計(jì)量基準(zhǔn)à計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)à測(cè)量?jī)x器à有效數(shù)據(jù)。流量計(jì)量的源頭是流量基準(zhǔn)，各國(guó)之間通過(guò)進(jìn)行比對(duì)來(lái)保證裝置間的量值統(tǒng)一；流量基準(zhǔn)通過(guò)一定的方式保證各計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的量值一致性，包括裝置量值核查和量值驗(yàn)證性試驗(yàn)等；然后利用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)檢定測(cè)量?jī)x器，并由測(cè)量?jī)x器獲得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。實(shí)際上，用戶(hù)最關(guān)心的是最終測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性，而并非測(cè)量?jī)x器是否有檢定證書(shū)。

水表不是高精度的和高技術(shù)的，但是長(zhǎng)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(cè)的成本。戶(hù)用水表因?yàn)殛P(guān)系到廣大用水居民的利益而得到了重視，國(guó)際上也有較為成熟的檢測(cè)方法和較為完整的技術(shù)文件，其檢測(cè)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?yàn)閼?hù)用水表的計(jì)量要求一致，安裝要求一致，量大面廣，有比較專(zhuān)業(yè)的安裝隊(duì)伍?？傊玫浇鉀Q的原因在與規(guī)?；纳a(chǎn)和規(guī)范化的安裝。

但是在現(xiàn)在的管理體系下，水計(jì)量還存在一些問(wèn)題，現(xiàn)在反映比較強(qiáng)烈，主要有這樣幾方面。首先是實(shí)驗(yàn)室可能沒(méi)有能力檢定所有的流量計(jì)，目前國(guó)內(nèi)能夠在穩(wěn)定的流量下，在流量計(jì)的全量程按規(guī)程開(kāi)展檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室是國(guó)家水大流量計(jì)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(wèn)題，不要用太大的輸水管道；如果輸水量大，可以分成多個(gè)管路來(lái)處理。但確實(shí)有很多情況是沒(méi)有考慮標(biāo)定困難的問(wèn)題，流量計(jì)買(mǎi)得太大了，或者是要在現(xiàn)有的管線上加裝流量計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)安裝的流量計(jì)，根本沒(méi)有辦法到實(shí)驗(yàn)室去檢測(cè)。

第二個(gè)問(wèn)題，很可能實(shí)驗(yàn)室里檢定合格的流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)用著并不好，比如一個(gè)口徑很大的管道里面通常流的水流速很低，沒(méi)有達(dá)到流量計(jì)的下限流量范圍；也可能安裝時(shí)對(duì)中不好，前面有彎頭或離閥門(mén)太近；還可能附近有太多的電磁干擾，或者流量計(jì)離閥門(mén)太近，一直在振動(dòng)，影響了流量計(jì)的輸出。

這樣的話，即便是有一個(gè)流量計(jì)的合格證書(shū)，但在現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)依然可能會(huì)有過(guò)大的偏差，實(shí)際的測(cè)量結(jié)果并不好。另外，檢定周期在一兩年左右，流量計(jì)拆下來(lái)運(yùn)出去，現(xiàn)場(chǎng)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(méi)問(wèn)題；也可能漂移量很大，后悔沒(méi)有早送檢。問(wèn)題的核心可能是檢定周期不太合理，比如所有渦輪流量計(jì)共用一個(gè)規(guī)程，兩千元的流量計(jì)和五萬(wàn)元的流量計(jì)沒(méi)有差異，但如何差異化對(duì)待大家也沒(méi)有清晰的認(rèn)識(shí)。

針對(duì)如上問(wèn)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(jì)安裝方案做單獨(dú)的設(shè)計(jì)，要有足夠的重視；要考慮流量計(jì)口徑是否適于檢定，要考慮流量計(jì)上下游配管是否滿(mǎn)足要求，甚至要考慮送檢時(shí)備用表的問(wèn)題；如果是在已有管線增加，考慮是否有可能對(duì)管線做一定的改造，等等。第二，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)并現(xiàn)場(chǎng)安裝后，應(yīng)做經(jīng)常性的量值核查；特別是對(duì)大口徑流量計(jì)，在流量計(jì)安裝后可以做一次量值核查。第三，對(duì)于無(wú)法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的超大口徑流量計(jì)，可以實(shí)施在線校準(zhǔn)技術(shù)。

量值核查并不是檢測(cè)，而是監(jiān)測(cè)這臺(tái)流量計(jì)的量值是否有變化。這里列了幾種監(jiān)測(cè)的方式。第一種監(jiān)測(cè)的原理是：流動(dòng)對(duì)于兩臺(tái)原理不同的流量計(jì)產(chǎn)出的量值漂移不大可能是完全相同的趨勢(shì)，因此將兩臺(tái)流量計(jì)串聯(lián)安裝，比如一臺(tái)電磁一臺(tái)超聲；如果兩臺(tái)流量計(jì)指示流量的量值一致，或者兩者的差值和最初的時(shí)候變化很小，這個(gè)時(shí)候都可以認(rèn)為流量計(jì)工作正常，不需拆下標(biāo)定。為什么要用原理不同的流量計(jì)呢？這是因?yàn)橥瑯釉淼牧髁坑?jì)可能會(huì)產(chǎn)生同樣方向和同樣強(qiáng)度的漂移，比如兩臺(tái)都沒(méi)有磨合好的渦輪流量計(jì)，在磨合過(guò)程中就可能會(huì)有同方向的漂移。第二種方法是雙傳感器流量計(jì)，比如雙渦輪流量計(jì)，這兩個(gè)渦輪從葉片數(shù)量，到扭曲角度都是完全不同的，兩個(gè)渦輪會(huì)有完全不同的表現(xiàn)。第三種方法叫做自診斷，這是因?yàn)榇罂趶綔y(cè)流用的流量計(jì)主要是電磁和超聲兩種，而這兩種流量計(jì)在計(jì)量性能發(fā)生變化時(shí)都是因?yàn)橛行╇妳?shù)發(fā)生改變，因此在首次安裝后，測(cè)量這些電信號(hào)并保存，然后監(jiān)測(cè)這些電參數(shù)的變化趨勢(shì)和水平。這個(gè)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(gè)方法。

我們認(rèn)為這個(gè)方案是一個(gè)進(jìn)步，方便了用戶(hù)，甚至于在安裝條件惡劣的情況下也改進(jìn)了計(jì)量性能，因?yàn)槲覀冏隽擞嗅槍?duì)性的分析。問(wèn)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(shuō)我們認(rèn)為給檢定周期的方式不合理；然后檢定是合格評(píng)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(jì)本身自診斷的方法來(lái)對(duì)流量計(jì)開(kāi)展核查。因此針對(duì)超聲流量計(jì)已經(jīng)出臺(tái)了大口徑現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范，但不是檢定規(guī)程。

有很多人說(shuō)，我們是貿(mào)易結(jié)算所以要檢定證書(shū)。多年來(lái)我們一直在呼吁的一件事就是：校準(zhǔn)+核查=檢定，其實(shí)，我們認(rèn)為校準(zhǔn)+核查是大于檢定的，因?yàn)闄z定周期的科學(xué)性和合理性是很可疑的，只有在戶(hù)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(shí)驗(yàn)，且在實(shí)驗(yàn)后不再對(duì)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(guó)際上也基本上都是這樣認(rèn)定的。

對(duì)于工業(yè)用流量計(jì)，一則不會(huì)有那么大的量，因此做復(fù)雜的型式評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)不值得，二則技術(shù)改進(jìn)是隨時(shí)的，無(wú)法保證材質(zhì)工藝不改變，所以國(guó)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(gè)性化的量值保證方案能夠獲得更高性能。所以用戶(hù)需要充分了解計(jì)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(shí)現(xiàn)計(jì)量。但因?yàn)槭呛贤?，還是需要謹(jǐn)慎，比如應(yīng)先形成計(jì)量保證方案文本，并以合適的方式通過(guò)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(jì)的在線校準(zhǔn)研究

關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)，我們從2008年起針對(duì)超聲時(shí)差法進(jìn)行了持續(xù)的研究工作。問(wèn)題來(lái)自于三峽電站安裝的六臺(tái)超大口徑流量計(jì)，口徑12.4m，無(wú)法開(kāi)展實(shí)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(jì)是利用超聲在流動(dòng)的水中傳播時(shí)，向上游和向下游傳播的時(shí)間差來(lái)測(cè)量流速進(jìn)而測(cè)量流速的，只有有了準(zhǔn)確的幾何參數(shù)和準(zhǔn)確的時(shí)間測(cè)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(jì)的原理出發(fā)，從幾何參數(shù)、傳播時(shí)間和權(quán)重系統(tǒng)等幾個(gè)方面對(duì)流量計(jì)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(duì)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(jì)管段立體重建和幾何參數(shù)自動(dòng)計(jì)算方法，利用全站儀或測(cè)量臂對(duì)現(xiàn)場(chǎng)幾何參數(shù)進(jìn)行精確校準(zhǔn)。在若干水電站的流量計(jì)中進(jìn)行應(yīng)用，效果非常好。對(duì)于三峽電站，由于流量計(jì)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(jì)安裝條件。我們利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的方法，評(píng)估了流量計(jì)處復(fù)雜流場(chǎng)的影響，對(duì)這種特定流場(chǎng)的影響進(jìn)行了修正。

除了以上針對(duì)超聲流量計(jì)的特點(diǎn)進(jìn)行非實(shí)流校準(zhǔn)的方法，近兩年我們還在開(kāi)展基于超聲時(shí)差法流量標(biāo)準(zhǔn)組件的在線校準(zhǔn)方法研究。超聲時(shí)差測(cè)流只要實(shí)現(xiàn)了精確的幾何參數(shù)測(cè)量和傳播時(shí)間測(cè)量，不再依賴(lài)流量裝置進(jìn)行標(biāo)定，具有實(shí)現(xiàn)便攜式流量標(biāo)準(zhǔn)組件的基礎(chǔ)。因此我們專(zhuān)門(mén)針對(duì)特定的換能器和超聲波形算法進(jìn)行研究，確保傳播時(shí)間的準(zhǔn)確性；針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)幾何參數(shù)測(cè)量方法，通過(guò)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(jì)算面平均速度，可以在現(xiàn)場(chǎng)提供一個(gè)流量的標(biāo)準(zhǔn)值。

我們?cè)O(shè)計(jì)的量值保證體系中還會(huì)對(duì)流量標(biāo)準(zhǔn)組件的流速測(cè)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(dòng)車(chē)相對(duì)法去精確校驗(yàn)流速的零點(diǎn)及其分辨能力，數(shù)據(jù)顯示超聲測(cè)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(qǐng)了一個(gè)項(xiàng)目專(zhuān)門(mén)開(kāi)展拖曳水池裝置本身的研究，來(lái)支撐我們?cè)诹魉倭髁楷F(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)能力，包含車(chē)速動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)、背景流速監(jiān)測(cè)、示蹤粒子播撒等，并研發(fā)流速比對(duì)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(jì)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(guó)水科院大興試驗(yàn)基地搭建了明渠測(cè)試系統(tǒng)，依托實(shí)流校準(zhǔn)過(guò)的管道流量計(jì)和流量穩(wěn)定的供水系統(tǒng)，開(kāi)展明渠超聲流量計(jì)的流速代表性研究。超聲時(shí)差法測(cè)量的是探頭對(duì)之間的線平均流速，計(jì)算流量需要解決線流速代表性和面流速代表性問(wèn)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(gè)線流速計(jì)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(lái)源之一。我們還開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)專(zhuān)門(mén)研究它，包含探頭凸出結(jié)構(gòu)附近流場(chǎng)精細(xì)測(cè)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(shí)差法，流速測(cè)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(zhuān)門(mén)進(jìn)行修正，利用差分法測(cè)量聲速并核查聲道長(zhǎng)度和角度，等等。我們希望今年能首先針對(duì)最簡(jiǎn)單的規(guī)則明渠工況開(kāi)展一兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試點(diǎn)工作，比如對(duì)污水計(jì)量中的巴歇爾槽進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。試點(diǎn)工作要突出數(shù)據(jù)有效性和現(xiàn)場(chǎng)易用性，前者是說(shuō)數(shù)據(jù)可溯源，準(zhǔn)確度有保障；后者是說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單、方便，用時(shí)盡量短，不同操作者校準(zhǔn)結(jié)果無(wú)明顯差異。

000015  小結(jié)

輸供水計(jì)量中的流量計(jì)由于具有個(gè)性化特點(diǎn)，應(yīng)采取差異化的計(jì)量方式。計(jì)量設(shè)施應(yīng)在供水設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)同步設(shè)計(jì)并施工，并符合計(jì)量要求?；诹恐岛瞬楹驮诰€校準(zhǔn)的計(jì)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(jì)量保證方案要合理設(shè)計(jì)，后續(xù)的檢測(cè)校準(zhǔn)要跟得上，才能保證測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性。