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水流量計在線校準技術探討
日期：2025-11-28 00:57
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摘要：
水流量計在線校準技術探討
http://china.toocle.com生意社
引言：大慶是國內50個嚴重缺水的城市之一，大慶油田有限責任公司又是一個年用水量近4億噸的用水大戶。隨著水資源的日趨緊張及油田改革的不斷深化，水計量問題日顯突出，油田用水量的嚴格分級考核管理已提到日程上來。由于目前在線使用的大部分大口徑水表不僅沒有旁通和備用表，而且拆裝十分困難，無法實現周期檢定；同時由于部分水流量計口徑在DN300以上，大慶地區現有的水流量標定裝置檢定能力也不能滿足。因此，油田內水流量計，尤其是大口徑水流量計，難以做到在不影響正常供水情況下的周期檢定，其在線使用精度無法保證使用要求。對大口徑水流量計進行在線校準技術方面的研究，解決油田在用的大口徑水流量計在線校準問題，在不影響正常供水的情況下，有效提高水計量儀表的在線使用精度，對于加強水資源管理，節約寶貴的水資源，提高油田的總體經濟效益有著十分重要的意義。
對大口徑水流量計進行在線校準技術方面的探索， 從1999年初就已開始。我們在大量的調查研究的基礎上，決定從示蹤法和超聲波法兩方面著手，對大口徑水流量計在線校準問題做進一步的嘗試。
1．用示蹤法對大口徑水流量計在線校準
用示蹤法測量水流量的歷史可追朔到上個世紀的二十年代。這種方法對測量大口徑管道、開口的流道和變截面流道的流量有著獨到的優勢。它是根據流量的定義進行流量測量的一種測量流量的**方法。在測量流量中使用的示蹤劑可以是放射性的或非放射性的物質。示蹤劑法測量流量的方法大致可分為三種：峰定時法、總計數法和稀釋法。作為流量計的在線校準裝置，峰定時法*為適合。它的主要特點是：
① 有較高的精度；
② 不需要測定注入的放射性溶液的量；
③ 對探測器不需要進行刻度；
④ 要求被測管道的截面為已知。
峰定時法的工作原理是將 一小體積的放射性溶液快速注入到被測的流體中。在下游的某兩點安裝兩個射線探測裝置檢測示蹤劑濃度峰值通過的時刻。已知兩個射線探測裝置的距離L和示蹤劑濃度峰值出現時間差T，即可求出線性流速 u= L / T 。則流量 Q =S·u。 為了驗證示蹤法在大口徑水流量計在線校準上的可行性，我們在實驗室內建立了水循環系統試驗裝置，系統由DN 200 mm 管道及管道泵組成。管道總長約14米，內部體積約 0.44m3 。試驗時流量的改變是通過變頻電源改變泵電機的電源頻率實現的。化學示蹤法試驗采用的示蹤劑是 ZnCl2的水溶液，ZnCl2的水溶性非常好。每100克水可溶解395克 ZnCl2。探測裝置采用 238Pu 放射源和 NaI(Tl) 閃爍計數器。由 238Pu發射的低能 x 射線穿過測量間隙打到 NaI (Tl)閃爍計數器上被記錄，它的強度決定于測量間隙中的介質的成分和密度。當水流中含有示蹤劑時，介質對 x 射線的吸收增加。探測器記錄x 射線強度減弱。在示蹤劑注入到管道后，在水流體中形成一個局部的示蹤劑濃度包。它隨水流向下游運動，通過探測器時即可被檢測到。由于在示蹤劑濃度包中流體的密度和成分都有變化，造成對 x 射線吸收的增加，探測器測到的計數就減少。
用上面描述的設備和方法得到的一組試驗結果可以看出，用這種方法測量的數據離散性比較大。*差的數據是在電源頻率為10Hz時，重復性為14.2%，其次是在 20Hz時，為11.8%。
對化學示蹤法的試驗結果進行分析，下面兩點可能是導致試驗結果不理想的主要原因：**是流態受到干擾，這是由于示蹤劑注入的量較大，注入壓力也比較大以及探測器侵入到管道內所造成的；**是信號相關性差，由于示蹤劑注入后的初始形態及隨后在運動中的擴散過程均有隨機性，在達到探測器時又未能達到均勻分布，加上探測器的探測面積僅占管道截面的一小部分，因此造成信號相關性差。而侵入的探測器對流態的干擾又使信號相關條件更加惡化。基于流態受到干擾和信號相關性差是導致試驗結果不理想的主要原因的分析，確定采用放射性同位素作為示蹤劑、不需要侵入到管道中去的NaI晶體做探測器，進行進一步的試驗。
同位素示蹤法試驗采用放射性同位素作為示蹤劑，用峰定時法測量流量，試驗使用化學示蹤法所用的同一水循環系統試驗裝置。示蹤劑注入器和探測器有所不同。同位素示蹤劑可以選擇的品種很多，但需要考慮的影響選擇的因素也很多，諸如半衰期、射線的能譜、載體的化學性質、價格等等，需要根據這些因素作綜合評價進行選擇。我們選擇113mIn（銦-113m）作為示蹤劑。它可以從銦-113m放射性核素發生器獲得。銦-113m放射性核素發生器的價格較高，但是它有很多優點，特別適合于研究階段使用，*主要的有兩點：**是使用方便。雖然113mIn 的半衰期僅為100分鐘，但它可以方便地從銦-113m放射性核素發生器獲得，就像擠牛奶一樣。而且幾乎每天可以“擠”一次，所得到的113mIn的量是按母體113Sn的半衰期—115天減少的。不像其它短半衰期的同位素那樣，在使用時必須由供應地空運。**是半衰期和射線種類合適。母體的半衰期為115天，一般可以使用半年以上（視訂購的銦-113m放射性核素發生器 的強度等級和使用時所要求的113mIn的強度而定）。而子體113mIn的半衰期又很短，它對流量測量來說卓卓有余，但對環境的影響微乎其微。
同位素示蹤法的流量測量試驗中，示蹤劑注入器與化學示蹤法示蹤劑注入器雖然具有相同的功能，但在設計要求上有所差別。一是同位素示蹤劑溶液一般用量很小，只要滿足對放射性總量的要求即可，以便于操作和防護。因此，要求它能夠在很短的時間內（理論上越短越好）將5-10毫升的溶液注入到管道中去。二是同位素示蹤法是基于一小體積的放射性溶液的快速注入，它隨水流移動時會逐漸散開，在注入點的下游，探測器測到的計數曲線是不對稱的。這種不對稱性隨著探測器距注入點距離的增加而減小，理想的示蹤劑注入應該從管中心向徑向噴射，并且有足夠的力量使其盡可能布滿整個管截面，注入時間應盡可能短，使得在注入時示蹤劑在軸向的彌散與隨后由紊流造成的彌散相比可以忽略，也就是說，示蹤劑的分布應該是一個薄的圓片。示蹤劑的注入越接近這一理想狀態，為滿足一定精度測量所要求的管道長度就越短。注入器主要由錐形密封頭、示蹤液容器和電磁鐵組成。當電磁鐵動作時，錐形密封頭提起，示蹤液在壓縮氣體的推力下由泄流孔注入到流體中。控制電磁鐵通電的時間可以控制注入的示蹤劑的量。另外，在示蹤液噴管上加裝了徑向輻射型噴嘴。
與化學示蹤法不同的是在同位素示蹤法中探測器不需要侵入到管道中去，這是因為它探測的γ射線能量較高。因此探測器的NaI(Tl)晶體較大，以增加探測效率。在試驗中使用的NaI(Tl)晶體的尺寸為φ40×50mm。探測器必須要有屏蔽和限束孔，以減少本底計數并使測得的計數曲線更加尖銳。探測器及其安裝筒座可以方便地將整個探測裝置夾緊在管道上。從9月至11月中旬完成了注入器設計加工、探測器研制、二次表研制等工作并在實驗室的循環系統中進行了試驗。11月底至12月中旬在大慶油田南六聯污水站上進行了現場試驗。結果表明，同位素示蹤法優于化學示蹤法，在滿足試驗條件的情況下，可以達到±1%的測量精度。
2 用超聲波法實現大口徑水流量計在線校準
用超聲波測量水流量的方法在發達國家已得到了廣泛的應用，技術也已經成型，如丹麥的丹佛斯、美國的康樂創、寶麗聲、日本的富士等都是生產超聲波流量計的專業廠家。近幾年，國內也有儀表廠商開始生產超聲波流量計，但在技術水平和生產規模上，與國外相比還有一定的差距。
超聲波流量計做為大口徑管線在線校準儀表，有著其它儀表所無法比擬的優點：
①在不影響被檢儀表正常工作的情況下，管外安裝校準；
②便于攜帶，安裝方便 ；
③不妨礙流動，無壓力損失量；
④無可動部件，維修率低、穩定性好。
超聲波流量計有多種形式，從精度上看排序依次為傳播速度差法、多普勒法、聽音法。多普勒法主要應用于含有很多氣泡或懸濁物的液體，如下水、泥水等，聽音法適用于輔助測量或開關的監視。做為大口徑管線在線校準儀表，我們選用傳播速度差法。傳播速度差法包括相位差法、聲循環法、時間差法，原理基本一致，我們選用時間差法。從原理上看時差法超聲波流量計是將流體流動時與靜止時超聲波在流體中傳播的情形進行比較，由于流速不同會使超聲波的傳播速度發生變化來測得流體流速的。從安裝角度講，時間差法超聲波流量計可分為外夾式和插入式，外夾式超聲波流量計便于攜帶，安裝方便，但在使用過程中，受使用環境影響較大，做為大口徑管線在線校準儀表缺少說服力；插入式超聲波流量計受使用環境影響較小，適合做為在線校準儀表。
將流體流動時與靜止時超聲波在流體中傳播的情形進行比較，由于流速不同會使超聲波的傳播速度發生變化。取靜止流體中的聲速為C，流體流動的速度為V，當聲波的傳播方向與流體流動的方向一致時，其傳播速度為（C+V），而聲波的傳播方向與流體流動的方向相反時，其傳播速度為（C—V），我們在距離為L的兩處放兩組超聲波發生器與接收器（T1，R1和T2，R2），聲道夾角為θ，管道內徑為D， K為流通系數，S為管道橫截面積。當T1順方向、T2逆方向發射超聲波時，超聲波分別到達接收器R1和R2所需要的時間分別為t1和t2，則：
t1 =L/（C-Vcosθ）
t2= L/（C+Vcosθ）
管內介質的流速： V=лKSD3（t1+t2）/8t1t2cos2θ
測量時，超聲波收發器應置于流管的正側面，這樣做的理由在于，氣泡易于聚集在管道的上方，大的異物則沿管道底部流動，它們都將妨礙超聲波的穿過。
2000年4月，設計制做了DN300、DN150兩段插入式時差法超聲波流量計測量管段，為了能方便換能器的拆裝，設計制做了球閥式換能器護套，**測量超聲波探頭間距、超聲波探頭與直管段的角度和標準直管段的壁厚。首先在石油工業計量測試研究所的水流量標定管線上，做了兩組試驗，對SONOKIT插入式時差法超聲波流量計進行了實驗室試驗研究。試驗采用容積法對SONOKIT插入式超聲波流量計進行檢測，標定裝置精度達到2‰ 。試驗結果是超聲波流量計在配備標準測量直管段情況下，清水管線完全可以達到1%的計量精度，而且管徑越大精度越高，管徑越大穩定性越好，可以作為大口徑水流量計在線校準儀表。當現場情況不能完全滿足儀表計量技術要求時，如前直管段長度不夠或水中懸浮物超標及管線有沉沙或液體不滿管情況下，達不到所要求的計量精度。
綜上所述，我們建議在大口徑清水管線計量系統安裝時，同時串接一個標準超聲波測量管段，測量管段安裝的技術要求應同超聲波流量計一樣，滿足直管段要求和液體應充滿測量管的要求。現場校準時，把超聲波探頭安裝在標準超聲波測量管段換能器護套內 ，把管段的參數輸入二次表，對大口徑水管線計量系統進行校準。對于已經安裝完的大口徑清水管線計量系統，可以使用外夾式超聲波流量計進行在線校準。
對大口徑水流量計進行在線校準技術方面的探索， 從1999年初就已開始。我們在大量的調查研究的基礎上，決定從示蹤法和超聲波法兩方面著手，對大口徑水流量計在線校準問題做進一步的嘗試。
1．用示蹤法對大口徑水流量計在線校準
用示蹤法測量水流量的歷史可追朔到上個世紀的二十年代。這種方法對測量大口徑管道、開口的流道和變截面流道的流量有著獨到的優勢。它是根據流量的定義進行流量測量的一種測量流量的**方法。在測量流量中使用的示蹤劑可以是放射性的或非放射性的物質。示蹤劑法測量流量的方法大致可分為三種：峰定時法、總計數法和稀釋法。作為流量計的在線校準裝置，峰定時法*為適合。它的主要特點是：
① 有較高的精度；
② 不需要測定注入的放射性溶液的量；
③ 對探測器不需要進行刻度；
④ 要求被測管道的截面為已知。
峰定時法的工作原理是將 一小體積的放射性溶液快速注入到被測的流體中。在下游的某兩點安裝兩個射線探測裝置檢測示蹤劑濃度峰值通過的時刻。已知兩個射線探測裝置的距離L和示蹤劑濃度峰值出現時間差T，即可求出線性流速 u= L / T 。則流量 Q =S·u。 為了驗證示蹤法在大口徑水流量計在線校準上的可行性，我們在實驗室內建立了水循環系統試驗裝置，系統由DN 200 mm 管道及管道泵組成。管道總長約14米，內部體積約 0.44m3 。試驗時流量的改變是通過變頻電源改變泵電機的電源頻率實現的。化學示蹤法試驗采用的示蹤劑是 ZnCl2的水溶液，ZnCl2的水溶性非常好。每100克水可溶解395克 ZnCl2。探測裝置采用 238Pu 放射源和 NaI(Tl) 閃爍計數器。由 238Pu發射的低能 x 射線穿過測量間隙打到 NaI (Tl)閃爍計數器上被記錄，它的強度決定于測量間隙中的介質的成分和密度。當水流中含有示蹤劑時，介質對 x 射線的吸收增加。探測器記錄x 射線強度減弱。在示蹤劑注入到管道后，在水流體中形成一個局部的示蹤劑濃度包。它隨水流向下游運動，通過探測器時即可被檢測到。由于在示蹤劑濃度包中流體的密度和成分都有變化，造成對 x 射線吸收的增加，探測器測到的計數就減少。
用上面描述的設備和方法得到的一組試驗結果可以看出，用這種方法測量的數據離散性比較大。*差的數據是在電源頻率為10Hz時，重復性為14.2%，其次是在 20Hz時，為11.8%。
對化學示蹤法的試驗結果進行分析，下面兩點可能是導致試驗結果不理想的主要原因：**是流態受到干擾，這是由于示蹤劑注入的量較大，注入壓力也比較大以及探測器侵入到管道內所造成的；**是信號相關性差，由于示蹤劑注入后的初始形態及隨后在運動中的擴散過程均有隨機性，在達到探測器時又未能達到均勻分布，加上探測器的探測面積僅占管道截面的一小部分，因此造成信號相關性差。而侵入的探測器對流態的干擾又使信號相關條件更加惡化。基于流態受到干擾和信號相關性差是導致試驗結果不理想的主要原因的分析，確定采用放射性同位素作為示蹤劑、不需要侵入到管道中去的NaI晶體做探測器，進行進一步的試驗。
同位素示蹤法試驗采用放射性同位素作為示蹤劑，用峰定時法測量流量，試驗使用化學示蹤法所用的同一水循環系統試驗裝置。示蹤劑注入器和探測器有所不同。同位素示蹤劑可以選擇的品種很多，但需要考慮的影響選擇的因素也很多，諸如半衰期、射線的能譜、載體的化學性質、價格等等，需要根據這些因素作綜合評價進行選擇。我們選擇113mIn（銦-113m）作為示蹤劑。它可以從銦-113m放射性核素發生器獲得。銦-113m放射性核素發生器的價格較高，但是它有很多優點，特別適合于研究階段使用，*主要的有兩點：**是使用方便。雖然113mIn 的半衰期僅為100分鐘，但它可以方便地從銦-113m放射性核素發生器獲得，就像擠牛奶一樣。而且幾乎每天可以“擠”一次，所得到的113mIn的量是按母體113Sn的半衰期—115天減少的。不像其它短半衰期的同位素那樣，在使用時必須由供應地空運。**是半衰期和射線種類合適。母體的半衰期為115天，一般可以使用半年以上（視訂購的銦-113m放射性核素發生器 的強度等級和使用時所要求的113mIn的強度而定）。而子體113mIn的半衰期又很短，它對流量測量來說卓卓有余，但對環境的影響微乎其微。
同位素示蹤法的流量測量試驗中，示蹤劑注入器與化學示蹤法示蹤劑注入器雖然具有相同的功能，但在設計要求上有所差別。一是同位素示蹤劑溶液一般用量很小，只要滿足對放射性總量的要求即可，以便于操作和防護。因此，要求它能夠在很短的時間內（理論上越短越好）將5-10毫升的溶液注入到管道中去。二是同位素示蹤法是基于一小體積的放射性溶液的快速注入，它隨水流移動時會逐漸散開，在注入點的下游，探測器測到的計數曲線是不對稱的。這種不對稱性隨著探測器距注入點距離的增加而減小，理想的示蹤劑注入應該從管中心向徑向噴射，并且有足夠的力量使其盡可能布滿整個管截面，注入時間應盡可能短，使得在注入時示蹤劑在軸向的彌散與隨后由紊流造成的彌散相比可以忽略，也就是說，示蹤劑的分布應該是一個薄的圓片。示蹤劑的注入越接近這一理想狀態，為滿足一定精度測量所要求的管道長度就越短。注入器主要由錐形密封頭、示蹤液容器和電磁鐵組成。當電磁鐵動作時，錐形密封頭提起，示蹤液在壓縮氣體的推力下由泄流孔注入到流體中。控制電磁鐵通電的時間可以控制注入的示蹤劑的量。另外，在示蹤液噴管上加裝了徑向輻射型噴嘴。
與化學示蹤法不同的是在同位素示蹤法中探測器不需要侵入到管道中去，這是因為它探測的γ射線能量較高。因此探測器的NaI(Tl)晶體較大，以增加探測效率。在試驗中使用的NaI(Tl)晶體的尺寸為φ40×50mm。探測器必須要有屏蔽和限束孔，以減少本底計數并使測得的計數曲線更加尖銳。探測器及其安裝筒座可以方便地將整個探測裝置夾緊在管道上。從9月至11月中旬完成了注入器設計加工、探測器研制、二次表研制等工作并在實驗室的循環系統中進行了試驗。11月底至12月中旬在大慶油田南六聯污水站上進行了現場試驗。結果表明，同位素示蹤法優于化學示蹤法，在滿足試驗條件的情況下，可以達到±1%的測量精度。
2 用超聲波法實現大口徑水流量計在線校準
用超聲波測量水流量的方法在發達國家已得到了廣泛的應用，技術也已經成型，如丹麥的丹佛斯、美國的康樂創、寶麗聲、日本的富士等都是生產超聲波流量計的專業廠家。近幾年，國內也有儀表廠商開始生產超聲波流量計，但在技術水平和生產規模上，與國外相比還有一定的差距。
超聲波流量計做為大口徑管線在線校準儀表，有著其它儀表所無法比擬的優點：
①在不影響被檢儀表正常工作的情況下，管外安裝校準；
②便于攜帶，安裝方便 ；
③不妨礙流動，無壓力損失量；
④無可動部件，維修率低、穩定性好。
超聲波流量計有多種形式，從精度上看排序依次為傳播速度差法、多普勒法、聽音法。多普勒法主要應用于含有很多氣泡或懸濁物的液體，如下水、泥水等，聽音法適用于輔助測量或開關的監視。做為大口徑管線在線校準儀表，我們選用傳播速度差法。傳播速度差法包括相位差法、聲循環法、時間差法，原理基本一致，我們選用時間差法。從原理上看時差法超聲波流量計是將流體流動時與靜止時超聲波在流體中傳播的情形進行比較，由于流速不同會使超聲波的傳播速度發生變化來測得流體流速的。從安裝角度講，時間差法超聲波流量計可分為外夾式和插入式，外夾式超聲波流量計便于攜帶，安裝方便，但在使用過程中，受使用環境影響較大，做為大口徑管線在線校準儀表缺少說服力；插入式超聲波流量計受使用環境影響較小，適合做為在線校準儀表。
將流體流動時與靜止時超聲波在流體中傳播的情形進行比較，由于流速不同會使超聲波的傳播速度發生變化。取靜止流體中的聲速為C，流體流動的速度為V，當聲波的傳播方向與流體流動的方向一致時，其傳播速度為（C+V），而聲波的傳播方向與流體流動的方向相反時，其傳播速度為（C—V），我們在距離為L的兩處放兩組超聲波發生器與接收器（T1，R1和T2，R2），聲道夾角為θ，管道內徑為D， K為流通系數，S為管道橫截面積。當T1順方向、T2逆方向發射超聲波時，超聲波分別到達接收器R1和R2所需要的時間分別為t1和t2，則：
t1 =L/（C-Vcosθ）
t2= L/（C+Vcosθ）
管內介質的流速： V=лKSD3（t1+t2）/8t1t2cos2θ
測量時，超聲波收發器應置于流管的正側面，這樣做的理由在于，氣泡易于聚集在管道的上方，大的異物則沿管道底部流動，它們都將妨礙超聲波的穿過。
2000年4月，設計制做了DN300、DN150兩段插入式時差法超聲波流量計測量管段，為了能方便換能器的拆裝，設計制做了球閥式換能器護套，**測量超聲波探頭間距、超聲波探頭與直管段的角度和標準直管段的壁厚。首先在石油工業計量測試研究所的水流量標定管線上，做了兩組試驗，對SONOKIT插入式時差法超聲波流量計進行了實驗室試驗研究。試驗采用容積法對SONOKIT插入式超聲波流量計進行檢測，標定裝置精度達到2‰ 。試驗結果是超聲波流量計在配備標準測量直管段情況下，清水管線完全可以達到1%的計量精度，而且管徑越大精度越高，管徑越大穩定性越好，可以作為大口徑水流量計在線校準儀表。當現場情況不能完全滿足儀表計量技術要求時，如前直管段長度不夠或水中懸浮物超標及管線有沉沙或液體不滿管情況下，達不到所要求的計量精度。
綜上所述，我們建議在大口徑清水管線計量系統安裝時，同時串接一個標準超聲波測量管段，測量管段安裝的技術要求應同超聲波流量計一樣，滿足直管段要求和液體應充滿測量管的要求。現場校準時，把超聲波探頭安裝在標準超聲波測量管段換能器護套內 ，把管段的參數輸入二次表，對大口徑水管線計量系統進行校準。對于已經安裝完的大口徑清水管線計量系統，可以使用外夾式超聲波流量計進行在線校準。
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