大家好，我报告的题目是“流量仪表的在线校准及数据有效性理念”。报告分为四部分内容，首先介绍一下计量院热工所流量室，介绍一下目前我们的研究方向；然后介绍供水行业计量需求，讨论可行的计量保证方案，以及目前我们正在针对大口径及明渠流量计在线校准进行的研究工作。
000011 计量院流量室介绍
中国计量科学研究院是我国最高的计量技术机构，在北京和平里和昌平各有一个院区，共有在编职工800人左右。计量院主要负责研究、建立、保存、维护国家计量基准和国家计量标准；开展国际比对，实现国际等效；承担相关国内国际标准修制定工作；开展新技术、新领域计量研究，服务国家战略需求和重点行业。
热工计量科学研究所共有四个研究室，分别为辐射测温、接触测温、压力真空、流量。流量研究室目前有五个主要的研究方向，面向不同的行业需求。其中气体包括天然气计量、烟气计量、风速计量，液体包括实验室冷热水计量、现场水流速流量计量。
我负责现场水流速流量的计量，主要依托实验室的拖曳水池流速标准装置和明渠/大口径管道流量装置，研究水资源计量、污水计量、水电站效率计量等现场流量计量问题，以及水文、海洋等行业中的流速计量问题。
000012 供水行业流量计量需求
首先，流量计量起步于法制计量，是民生计量最主要的组成部分。大家都知道，国家质检总局发布的国家重点管理的计量器具目录中，总共九种计量器具中跟流量相关的是四种，为水表、煤气表、加油机和热能表。近些年，随着能源和资源的短缺，天然气、油品、水等的流量计量需求迅速增长，变得越来越重要。特别是我国水资源严重缺乏，提出执行“最严格的水资源管理制度”，建设节水型社会，对水表的性能和工作方式不断提出新的要求。从第一台水表问世，水表已有近二百年的历史，从直读表、到IC卡表，还有带防倒流功能的水表、解决滴漏计量问题的水表等等。随着应用量的增加对其功能的需求一直在提升，技术改进一直没有中断。水表用于贸易结算，是强检计量器具，也是国家重点管理的计量器具。
除了水表之外，城市供水干网还用到了大量的大口径电磁流量计、超声流量计等，大量流量计的口径超过1m。引水调水工程中还用到了很多明渠流量计，包括矩形明渠和梯形明渠，其中以超声流量计居多，比如南水北调中线就安装了超过200套的明渠超声流量计。这些流量计基本都用于水量交接，也需要进行计量检定。另外，部分企业内部也安装了很多流量计，用于节水计量等等，比如很多水电站安装了流量计用于监测流量，优化运行参数，提高发电效率。这些特殊测量需求都促进了流量计水平的大幅度提升。
近年来，水污染防治成为水资源保护的当务之急，流量的测量是其中重要的保证措施。部分污水管道和渠道上安装了流量计用于排污的管理。管道流量计以电磁和超声居多，渠道上则以堰槽流量计居多。这些流量计由于测量的是污水，其量值溯源方法也有一定的特殊性。
000013 数据有效性理念和计量保证方案
我们通过流量计量检测来达到什么目的呢，归根到底主要是两个方面。第一个目的是保证流量量值的准确和统一，因为贸易双方需要认可一致的计量数据作为贸易结算的基础；很可能贸易双方都有测量，而结果有差异，这样势必造成贸易纠纷。另一个目的是对仪表的公正评价，如果没有这个评价，可能大家都天花乱坠地说自己的产品如何好，而用户将无从评判，不利于行业的进步和发展。
目前法规给出的方法是在实验室的水表装置或水流量装置上检定，然后拿到现场安装使用，再按检定规程规定的检定周期返回实验室进行检定。我们来看一下计量的范围和过程，可以分为四个环节：计量基准à计量标准à测量仪器à有效数据。流量计量的源头是流量基准，各国之间通过进行比对来保证装置间的量值统一；流量基准通过一定的方式保证各计量标准的量值一致性，包括装置量值核查和量值验证性试验等；然后利用计量标准检定测量仪器，并由测量仪器获得现场数据。实际上，用户最关心的是最终测量数据的有效性，而并非测量仪器是否有检定证书。
水表不是高精度的和高技术的，但是长期稳定的使用需要严苛的性能考核，而其量大面广导致需要考虑检测的成本。户用水表因为关系到广大用水居民的利益而得到了重视，国际上也有较为成熟的检测方法和较为完整的技术文件，其检测得到了较好的解决。但是我们认为得到较好解决主要是因为户用水表的计量要求一致，安装要求一致，量大面广，有比较专业的安装队伍。总之，得到解决的原因在与规模化的生产和规范化的安装。
但是在现在的管理体系下，水计量还存在一些问题，现在反映比较强烈，主要有这样几方面。首先是实验室可能没有能力检定所有的流量计，目前国内能够在稳定的流量下，在流量计的全量程按规程开展检测实验的实验室是国家水大流量计量站，口径到1.6m。我们认为在建设管线之初，需要考虑标定困难的问题，不要用太大的输水管道；如果输水量大，可以分成多个管路来处理。但确实有很多情况是没有考虑标定困难的问题，流量计买得太大了，或者是要在现有的管线上加装流量计，现场安装的流量计，根本没有办法到实验室去检测。
第二个问题，很可能实验室里检定合格的流量计现场用着并不好，比如一个口径很大的管道里面通常流的水流速很低，没有达到流量计的下限流量范围；也可能安装时对中不好，前面有弯头或离阀门太近；还可能附近有太多的电磁干扰，或者流量计离阀门太近，一直在振动，影响了流量计的输出。
这样的话，即便是有一个流量计的合格证书，但在现场流量计的实测数据依然可能会有过大的偏差，实际的测量结果并不好。另外，检定周期在一两年左右，流量计拆下来运出去，现场还不能停止供水，非常麻烦。检定的数据可能非常好，不检也没问题；也可能漂移量很大，后悔没有早送检。问题的核心可能是检定周期不太合理，比如所有涡轮流量计共用一个规程，两千元的流量计和五万元的流量计没有差异，但如何差异化对待大家也没有清晰的认识。
针对如上问题，我们的解决方案有三点：第一，在供水管线施工前为流量计安装方案做单独的设计，要有足够的重视；要考虑流量计口径是否适于检定，要考虑流量计上下游配管是否满足要求，甚至要考虑送检时备用表的问题；如果是在已有管线增加，考虑是否有可能对管线做一定的改造，等等。第二，实验室检测并现场安装后，应做经常性的量值核查；特别是对大口径流量计，在流量计安装后可以做一次量值核查。第三，对于无法开展实验室检测的超大口径流量计，可以实施在线校准技术。
量值核查并不是检测，而是监测这台流量计的量值是否有变化。这里列了几种监测的方式。第一种监测的原理是：流动对于两台原理不同的流量计产出的量值漂移不大可能是完全相同的趋势，因此将两台流量计串联安装，比如一台电磁一台超声；如果两台流量计指示流量的量值一致，或者两者的差值和最初的时候变化很小，这个时候都可以认为流量计工作正常，不需拆下标定。为什么要用原理不同的流量计呢？这是因为同样原理的流量计可能会产生同样方向和同样强度的漂移，比如两台都没有磨合好的涡轮流量计，在磨合过程中就可能会有同方向的漂移。第二种方法是双传感器流量计，比如双涡轮流量计，这两个涡轮从叶片数量，到扭曲角度都是完全不同的，两个涡轮会有完全不同的表现。第三种方法叫做自诊断，这是因为大口径测流用的流量计主要是电磁和超声两种，而这两种流量计在计量性能发生变化时都是因为有些电参数发生改变，因此在首次安装后，测量这些电信号并保存，然后监测这些电参数的变化趋势和水平。这个核查方法是明确的，是合理可行的，但到目前为止，积累的数据并不丰富，所以具体的判据尺度还需摸索，也欢迎有兴趣的企业和机构和我们一起推进这个方法。
我们认为这个方案是一个进步，方便了用户，甚至于在安装条件恶劣的情况下也改进了计量性能，因为我们做了有针对性的分析。问题是可能与现有检定规程不符。首先我们给不出检定周期，或者说我们认为给检定周期的方式不合理；然后检定是合格评定，我们做的是校准，这之间不存在三倍传递的关系；不是靠检定周期，但要用到流量计本身自诊断的方法来对流量计开展核查。因此针对超声流量计已经出台了大口径现场校准技术规范，但不是检定规程。
有很多人说，我们是贸易结算所以要检定证书。多年来我们一直在呼吁的一件事就是：校准+核查=检定，其实，我们认为校准+核查是大于检定的，因为检定周期的科学性和合理性是很可疑的，只有在户用水表这种使用情况高度一致，性能要求高度一致，量大面广，能够做细致的和严苛的定型实验，且在实验后不再对材质工艺等进行修改的情况下检定周期才是科学的，国际上也基本上都是这样认定的。
对于工业用流量计，一则不会有那么大的量，因此做复杂的型式评价实验不值得，二则技术改进是随时的，无法保证材质工艺不改变，所以国际上都是采用校准+核查的方法。而且校准不需要三倍的传递关系，个性化的量值保证方案能够获得更高性能。所以用户需要充分了解计量的内涵，能够认同校准的意义，贸易双方可以协商一致采取非检定的方案实现计量。但因为是合同，还是需要谨慎，比如应先形成计量保证方案文本，并以合适的方式通过审查，其中明确规定后续的执行方式，明确委托的第三方机构。
000014 大口径及明渠流量计的在线校准研究
关于现场检测技术，我们从2008年起针对超声时差法进行了持续的研究工作。问题来自于三峡电站安装的六台超大口径流量计，口径12.4m，无法开展实流校准，厂家又迫切希望了解其准确度。
大家都知道，超声流量计是利用超声在流动的水中传播时，向上游和向下游传播的时间差来测量流速进而测量流速的，只有有了准确的几何参数和准确的时间测量就有了准确的流速，再按照合理的权重系数加权平均就能得到平均流速和流量。于是我们从超声流量计的原理出发，从几何参数、传播时间和权重系统等几个方面对流量计准确度的影响因素进行了认真的考量，给出了合理的流量修正方法及其不确定度。
对于几何参数，我们发展了基于三维坐标扫描的流量计管段立体重建和几何参数自动计算方法，利用全站仪或测量臂对现场几何参数进行精确校准。在若干水电站的流量计中进行应用，效果非常好。对于三峡电站，由于流量计安装在S型弯管下游，紧邻水轮机导叶，基本上前后直管段都等于零，完全不同于常规的流量计安装条件。我们利用实验和数值模拟结合的方法，评估了流量计处复杂流场的影响，对这种特定流场的影响进行了修正。
除了以上针对超声流量计的特点进行非实流校准的方法，近两年我们还在开展基于超声时差法流量标准组件的在线校准方法研究。超声时差测流只要实现了精确的几何参数测量和传播时间测量，不再依赖流量装置进行标定，具有实现便携式流量标准组件的基础。因此我们专门针对特定的换能器和超声波形算法进行研究，确保传播时间的准确性；针对现场几何参数测量方法，通过多种手段联合确认几何参数的可靠性；再考虑如何准确的由线速度计算面平均速度，可以在现场提供一个流量的标准值。
我们设计的量值保证体系中还会对流量标准组件的流速测量能力在拖曳水池流速标准装置上进行周期性的确认，利用静水动车相对法去精确校验流速的零点及其分辨能力，数据显示超声测流法的有效分辨力在0.1mm/s，非常敏感和可靠。拖曳水池流速标准装置是水流速的源头。我们申请了一个项目专门开展拖曳水池装置本身的研究，来支撑我们在流速流量现场校准能力，包含车速动态校准、背景流速监测、示踪粒子播撒等，并研发流速比对组件，研究不同水池装置间、水池与风洞间流速量值一致性关系。瑞士计量院的拖曳水池装置是世界上研究水平最高的装置，我们也和他们建立了很好的合作关系。
我们还在中国水科院大兴试验基地搭建了明渠测试系统，依托实流校准过的管道流量计和流量稳定的供水系统，开展明渠超声流量计的流速代表性研究。超声时差法测量的是探头对之间的线平均流速，计算流量需要解决线流速代表性和面流速代表性问题，其中前者源自于探头及底座突出引起的局部扰流和不完整采样，后者源自于有限个线流速计算面平均流速的积分误差。线流速代表性是流量标准组件中最大的不确定度来源之一。我们还开展了一系列实验专门研究它，包含探头凸出结构附近流场精细测量等。
我们的便携式流量标准组件，基于可溯源的超声时差法，流速测量能力在拖曳水池中进行周期性确认，探头突出影响专门进行修正，利用差分法测量声速并核查声道长度和角度，等等。我们希望今年能首先针对最简单的规则明渠工况开展一两个现场试点工作，比如对污水计量中的巴歇尔槽进行现场校准。试点工作要突出数据有效性和现场易用性，前者是说数据可溯源，准确度有保障；后者是说现场操作简单、方便，用时尽量短，不同操作者校准结果无明显差异。
000015 小结
输供水计量中的流量计由于具有个性化特点，应采取差异化的计量方式。计量设施应在供水设施设计时同步设计并施工，并符合计量要求。基于量值核查和在线校准的计量保证方案，一定程度上比现有的检定的方式更科学合理，计量保证方案要合理设计，后续的检测校准要跟得上，才能保证测量数据的有效性。
