大家好，我報告的題目是“流量儀表的在線校準及數據有效性理念”。報告分為四部分內容，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進行的研究工作。
000011 計量院流量室介紹
中國計量科學研究院是我國最高的計量技術機構，在北京和平里和昌平各有一個院區，共有在編職工800人左右。計量院主要負責研究、建立、保存、維護國家計量基準和國家計量標準；開展國際比對，實現國際等效；承擔相關國內國際標準修制定工作；開展新技術、新領域計量研究，服務國家戰略需求和重點行業。
熱工計量科學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，面向不同的行業需求。其中氣體包括天然氣計量、煙氣計量、風速計量，液體包括實驗室冷熱水計量、現場水流速流量計量。
我負責現場水流速流量的計量，主要依托實驗室的拖曳水池流速標準裝置和明渠/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場流量計量問題，以及水文、海洋等行業中的流速計量問題。
000012 供水行業流量計量需求
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，國家質檢總局發布的國家重點管理的計量器具目錄中，總共九種計量器具中跟流量相關的是四種，為水表、煤氣表、加油機和熱能表。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重缺乏，提出執行“最嚴格的水資源管理制度”，建設節水型社會，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。隨著應用量的增加對其功能的需求一直在提升，技術改進一直沒有中斷。水表用于貿易結算，是強檢計量器具，也是國家重點管理的計量器具。
除了水表之外，城市供水干網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，也需要進行計量檢定。另外，部分企業內部也安裝了很多流量計，用于節水計量等等，比如很多水電站安裝了流量計用于監測流量，優化運行參數，提高發電效率。這些特殊測量需求都促進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的當務之急，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 數據有效性理念和計量保證方案
我們通過流量計量檢測來達到什么目的呢，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確和統一，因為貿易雙方需要認可一致的計量數據作為貿易結算的基礎；很可能貿易雙方都有測量，而結果有差異，這樣勢必造成貿易糾紛。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品如何好，而用戶將無從評判，不利于行業的進步和發展。
目前法規給出的方法是在實驗室的水表裝置或水流量裝置上檢定，然后拿到現場安裝使用，再按檢定規程規定的檢定周期返回實驗室進行檢定。我們來看一下計量的范圍和過程，可以分為四個環節：計量基準à計量標準à測量儀器à有效數據。流量計量的源頭是流量基準，各國之間通過進行比對來保證裝置間的量值統一；流量基準通過一定的方式保證各計量標準的量值一致性，包括裝置量值核查和量值驗證性試驗等；然后利用計量標準檢定測量儀器，并由測量儀器獲得現場數據。實際上，用戶最關心的是最終測量數據的有效性，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的，但是長期穩定的使用需要嚴苛的性能考核，而其量大面廣導致需要考慮檢測的成本。戶用水表因為關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文件，其檢測得到了較好的解決。但是我們認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，有比較專業的安裝隊伍。總之，得到解決的原因在與規模化的生產和規范化的安裝。
但是在現在的管理體系下，水計量還存在一些問題，現在反映比較強烈，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，目前國內能夠在穩定的流量下，在流量計的全量程按規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。我們認為在建設管線之初，需要考慮標定困難的問題，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定困難的問題，流量計買得太大了，或者是要在現有的管線上加裝流量計，現場安裝的流量計，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，但在現場流量計的實測數據依然可能會有過大的偏差，實際的測量結果并不好。另外，檢定周期在一兩年左右，流量計拆下來運出去，現場還不能停止供水，非常麻煩。檢定的數據可能非常好，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識。
針對如上問題，我們的解決方案有三點：第一，在供水管線施工前為流量計安裝方案做單獨的設計，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，實驗室檢測并現場安裝后，應做經常性的量值核查；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，可以實施在線校準技術。
量值核查并不是檢測，而是監測這臺流量計的量值是否有變化。這里列了幾種監測的方式。第一種監測的原理是：流動對于兩臺原理不同的流量計產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，這個時候都可以認為流量計工作正常，不需拆下標定。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生同樣方向和同樣強度的漂移，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。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生變化時都是因為有些電參數發生改變，因此在首次安裝后，測量這些電信號并保存，然后監測這些電參數的變化趨勢和水平。這個核查方法是明確的，是合理可行的，但到目前為止，積累的數據并不豐富，所以具體的判據尺度還需摸索，也歡迎有興趣的企業和機構和我們一起推進這個方法。
我們認為這個方案是一個進步，方便了用戶，甚至于在安裝條件惡劣的情況下也改進了計量性能，因為我們做了有針對性的分析。問題是可能與現有檢定規程不符。首先我們給不出檢定周期，或者說我們認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，這之間不存在三倍傳遞的關系；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出臺了大口徑現場校準技術規范，但不是檢定規程。
有很多人說，我們是貿易結算所以要檢定證書。多年來我們一直在呼吁的一件事就是：校準+核查=檢定，其實，我們認為校準+核查是大于檢定的，因為檢定周期的科學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，能夠做細致的和嚴苛的定型實驗，且在實驗后不再對材質工藝等進行修改的情況下檢定周期才是科學的，國際上也基本上都是這樣認定的。
對于工業用流量計，一則不會有那么大的量，因此做復雜的型式評價實驗不值得，二則技術改進是隨時的，無法保證材質工藝不改變，所以國際上都是采用校準+核查的方法。而且校準不需要三倍的傳遞關系，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涵，能夠認同校準的意義，貿易雙方可以協商一致采取非檢定的方案實現計量。但因為是合同，還是需要謹慎，比如應先形成計量保證方案文本，并以合適的方式通過審查，其中明確規定后續的執行方式，明確委托的第三方機構。
000014 大口徑及明渠流量計的在線校準研究
關于現場檢測技術，我們從2008年起針對超聲時差法進行了持續的研究工作。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，廠家又迫切希望了解其準確度。
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而測量流速的，只有有了準確的幾何參數和準確的時間測量就有了準確的流速，再按照合理的權重系數加權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，從幾何參數、傳播時間和權重系統等幾個方面對流量計準確度的影響因素進行了認真的考量，給出了合理的流量修正方法及其不確定度。
對于幾何參數，我們發展了基于三維坐標掃描的流量計管段立體重建和幾何參數自動計算方法，利用全站儀或測量臂對現場幾何參數進行精確校準。在若干水電站的流量計中進行應用，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，緊鄰水輪機導葉，基本上前后直管段都等于零，完全不同于常規的流量計安裝條件。我們利用實驗和數值模擬結合的方法，評估了流量計處復雜流場的影響，對這種特定流場的影響進行了修正。
除了以上針對超聲流量計的特點進行非實流校準的方法，近兩年我們還在開展基于超聲時差法流量標準組件的在線校準方法研究。超聲時差測流只要實現了精確的幾何參數測量和傳播時間測量，不再依賴流量裝置進行標定，具有實現便攜式流量標準組件的基礎。因此我們專門針對特定的換能器和超聲波形算法進行研究，確保傳播時間的準確性；針對現場幾何參數測量方法，通過多種手段聯合確認幾何參數的可靠性；再考慮如何準確的由線速度計算面平均速度，可以在現場提供一個流量的標準值。
我們設計的量值保證體系中還會對流量標準組件的流速測量能力在拖曳水池流速標準裝置上進行周期性的確認，利用靜水動車相對法去精確校驗流速的零點及其分辨能力，數據顯示超聲測流法的有效分辨力在0.1mm/s，非常敏感和可靠。拖曳水池流速標準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場校準能力，包含車速動態校準、背景流速監測、示蹤粒子播撒等，并研發流速比對組件，研究不同水池裝置間、水池與風洞間流速量值一致性關系。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，依托實流校準過的管道流量計和流量穩定的供水系統，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準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，包含探頭凸出結構附近流場精細測量等。
我們的便攜式流量標準組件，基于可溯源的超聲時差法，流速測量能力在拖曳水池中進行周期性確認，探頭突出影響專門進行修正，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則明渠工況開展一兩個現場試點工作，比如對污水計量中的巴歇爾槽進行現場校準。試點工作要突出數據有效性和現場易用性，前者是說數據可溯源，準確度有保障；后者是說現場操作簡單、方便，用時盡量短，不同操作者校準結果無明顯差異。
000015 小結
輸供水計量中的流量計由于具有個性化特點，應采取差異化的計量方式。計量設施應在供水設施設計時同步設計并施工，并符合計量要求。基于量值核查和在線校準的計量保證方案，一定程度上比現有的檢定的方式更科學合理，計量保證方案要合理設計，后續的檢測校準要跟得上，才能保證測量數據的有效性。
