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姚 灵,王欣欣
(宁波水表(集团)股份有限公司,浙江 宁波 315032)
从提升水计量性能视角作出判断，电子水表(即第二代智能水表)是今后水表产品的主要发展方向。电子水表的流量传感器，由于主流产品没有机械运动机构(如旋转叶轮与活塞等)，因此具有测量范围宽、测量准确度高、使用寿命长、压力损失小、直接输出电信号、测量特性容易修正等特点，是当前公认的新一代水表部件[1]。现行国家标准GB/T 778.1—2018根据不同使用场景要求，将水表产品计量性能划分为两个准确度等级，即1级水表与2级水表。基于目前的技术发展，在测量性能一致性极优的电子水表产品中进行严格的特性校准，是实现1级准确度等级水表的唯一途径。因此，深入分析并研究电子水表测量特性是开展水表特性校准的一项重要工作。
1.1 电子水表构成
水表中的流量传感器是基于电原理或电子原理进行测量工作的，如利用法拉第电磁感应定律构建的电磁水表、利用超声波渡越时间法构建的超声水表，以及利用射流附壁效应与反馈振荡原理构建的射流水表等。作为新型水表，电子水表通常可以包括某些特殊结构的带电子装置的机械水表，如流量传感器利用旋转叶轮(速度式)或旋转活塞(容积式)结构的机传电显水表等。电子水表分类如图1所示。
图1 电子水表分类
1.2 关键性能指标
电子水表的计量性能主要是由最大允许误差与重复性等指标构成的。最大允许误差规定了在流量测量范围内，水表示值误差不能超越的界限(也可称其为测量误差的边界值)，并分为高区和低区，分别规定了相应的最大允许误差的限值。而重复性指标则规定了所有准确度等级的电子水表，在其流量测量范围内的测量重复性均应不超过其最大允许误差限值的三分之一[2]。
1.3 额定工作条件
额定工作条件是水表产品能根据设计要求进行正常工作的基本条件。它由流量范围 (最小流量Q1至常用流量Q3)、环境温度范围(5～55 ℃)、水温等级(T30～T180)、环境相对湿度范围(0%～100%)及压力范围(0.03 MPa到最高允许压力)等组成。DN500以下管径水表的最高允许压力至少应达到1 MPa；
DN500及以上管径水表的最高允许压力至少应达到0.6 MPa。
1.4 测量特性分析
图2 电子水表测量特性示意图
多数情况下，传感器在进行非电量与电量的转换过程中都会不同程度地出现非线性的测量特性。
电子水表非线性测量特性是由传感器产生的，因此对每类水表传感器工作原理与测量特性的分析既有利于理论校准的实施，又有利于实流校准策略的选用。
以下是几种电子水表传感器的测量特性。
2.1 超声水表
以换能器过轴线安装的单声道对射式超声水表为例,发射与接收换能器组测量获得的线平均流速与其对应的管道内面平均流速的关系为[3]：
(1)
(2)
式中：D为测量管内径；
φ为换能器与测量管轴线之间的安装角度；
Δt为超声波正逆向传播时间差；
t1、t2为超声波正向与逆向传播时间。
所以有:
(3)
式中：k2为基于理论校准的实流示值微调系数;A1为超声水表测量管段截面积。
如采用实流校准方法，则：
(4)
式中：k3为实流校准时的示值调整系数。
单声道对射式超声水表线-面平均流速关系如图3所示。
图3 超声水表线-面平均流速关系图
超声水表未校准前测量特性系数变化如图4所示。
图4 超声水表未校准前测量特性系数变化图
超声水表示值误差曲线如图5所示[5]。
图5 超声水表示值误差曲线示意图
2.2 电磁水表
在近似条件下，电极获取的感应电动势[6]为：
(5)
所以：
(6)
式中:k4为基于理论校准的实流示值微调系数。
如采用实流校准方法，可将式(6)化简为:
qv=k5e
(7)
式中:k5为实流校准时的示值调整系数。
电磁水表传感器测量特性如图6所示。图6中：a为电磁水表因内外部干扰导致零点处产生的输出(漂移)值，即实际特性方程的截距；
b为直线特性方程斜率(注：假设图中b为恒定常量)。由图6可知，电磁水表传感器的测量特性具有良好的线性度。
图6 电磁水表传感器测量特性示意图
2.3 射流水表
射流水表原理为[7]：
(8)
式中：f为射流在腔体内的振荡频率；
Sr为斯特劳哈尔数；
d为射流振荡腔体的特征尺寸。
(9)
如采用实流校准方法,可将式(9)简化为:
qv=k7f
(10)
式中：k7为实流校准时的示值调整系数。
射流水表传感器测量特性如图7所示。
图7 射流水表传感器测量特性示意图
2.4 机传电显水表
机传电显水表是机械传感电子显示水表的简称。其仪表系数可表示为：
(11)
式中：Ki为机传电显水表在流量测量范围内的任一流量点仪表系数；
qvi为流量测量范围内的任一流量点瞬时体积流量值。
Ni=Kiqvi
(12)
式中:Ni为对应流量点qvi的叶轮转速。
机传电显水表传感器测量特性如图8所示[8]。
图8 机传电显水表传感器测量特性示意图
图8中:qvj、qvi为管道内任一流量点的瞬时体积流量值；
Nj为任一流量值qvj对应的叶轮转速；
K为机传电显水表理想特性的仪表系数，为常量；
Ki为机传电显水表实际特性的任一流量值qvi对应的仪表系数，为变量；
Ni为任一流量值qvi对应的叶轮转速；
qs为水表始动流量。
机传电显水表典型的误差曲线如图9所示。
（1）支设模板：须注意平面位置、高度、垂直度、泛水坡度等的问题，模板与透水水泥混凝土接触的表面应涂隔离剂。
图9 机传电显水表典型的误差曲线示意图
由图9可知，误差曲线弯曲严重，具有明显的非线性测量特性。因此，机传电显水表均需在实流条件下进行非线性校准，使其示值误差较好地符合最大允许误差的要求。
3.1 校准条件
对电子水表开展特性校准需要具备一定的条件。其中的关键是被测水表的重复性必须控制在较小的范围内(如各被检流量点的重复性最好能控制在相应最大允许误差限值的五分之一内)，而水表的示值稳定性指标也要符合相关标准的要求。只有符合这些基本条件，才能保证校准的有效性[9]。
对成批电子水表产品的校准，为了提高其校准效率，要求水表产品成批测量特性的一致性达到较高的水准。通常可采用抽样测试的方法对成批测量特性的一致性作出评价与判断。如：通过样品的试验标准偏差决定成批产品特性的发散性；
通过样品的均值误差曲线决定成批产品的校准策略等。抽样水表平均误差曲线如图10所示。
图10 抽样水表平均误差曲线示意图
校准后的电子水表还需按标准要求对其开展电子封印管理，保障其校准系数不被篡改与修改，确保法制计量的有效性。
3.2 校准方法
电子水表传感器的测量特性校准方法通常可分为理论校准与实流校准[10]。
理论校准即非实流(干式)校准，适用于公称通径比较大的电子水表。理论校准可以避免制造费用昂贵的大口径水表校表试验台，降低校表成本，但校准的不确定度相对较大。实流校准是采用容积法或质量法校表试验台对电子水表进行实流比较试验的校准。通常情况下，实流校准的测量不确定度要高于理论校准的方法。
①理论校准。
要实现理论校准，首先要了解电子水表传感器的输入-输出特性，即明确其测量原理及原理式，以及输入-输出之间的函数关系，并在此基础上按分项指标进行数值确认。
因此，只要测得电磁水表传感器测量电极上的e，乘上括号内的实测数值，就能得到管道内有一定测量不确定度的瞬时流量值qv。
理论校准的测量不确定度是由各测量值的测量不确定度综合决定的。
②实流校准。
多数电子水表传感器的测量特性是通过实流校准的。这是因为某些电子水表传感器的测量特性具有复杂的非线性(如超声水表、机传电显水表等)，需要在实流条件下对其进行分段校准。
如机传电显水表，在流量测量范围内实际特性的仪表系数Ki是一个变量，也可以将其描述为被测体积流量或流速的函数。
(13)
由于机传电显水表的实际测量特性较复杂，很难用数学表达式进行统一描述，通常采用离散方式表达机传电显水表的测量特性。
(14)
通过分段方式，可以对每段测量特性给出一个拟合的特性校准方程，用于其测量特性的非线性校准。
Nt=mt+ctqvt,t=1,2,...,n
(15)
式中:ct为机传电显水表第t段拟合直线方程的斜率；
mt为机传电显水表第t段拟合直线方程的截距；
Nt为机传电显水表第t段拟合后的叶轮转速特性；
qvt为机传电显水表第t段被测体积流量范围。
机传电显水表分段特性校准如图11所示。
图11 机传电显水表分段特性校准示意图
分段校准方法通常有分段直线拟合法、分段及分段关联系数法、神经网络法等。
实流校准的准确度是由校准方法的合理性、水表校验台的综合不确定度和校验用水体积值等因素决定的。
③综合校准。
某些电子水表，如单声道对射式超声水表，其测量特性的非线性比较复杂，因此前期需要采用理论校准法将其测量特性修正到接近直线的状态，后期再采用实流校准方法进行微调与复核。如：首先分别采用理论校准方法对超声水表处于层流和紊流状态时的测量特性进行预修正，对过渡流状态的特性进行直线特性的拟合；
然后采用实流校准的方法进行细致的微调与复核，使超声水表的测量结果被限制在较小的系统误差范围内。
对于电磁水表、射流水表等测量特性接近线性的水表以及非线性特性较严重的机传电显水表，也可以采用理论和实流相结合的方法进行综合校准，以期达到较好的校准效果，从而最大限度地消除系统误差的影响。
4.1 被测介质变化
经过特性校准的电子水表在投入使用时，管道内流体流动分布状态应与出厂特性校准时的流态分布一致，否则将会导致校准的失效和水表测量特性的劣化。如：对于单声道对射式超声水表，流速分布畸变会使大流量测量段的示值误差发生显著的改变；
对于电磁水表，因为测量管道内存在电极间的权重(空间分布)函数，流速分布畸变会在流量测量范围内引入较大的系统误差等。
管道内被测饮用水的水温、水压等指标超过标准规定的额定条件，也会影响电子水表校准的有效性。如：对于射流水表，当被测介质温度发生较大改变时，因材料温度系数的存在会导致d发生相应的改变，从而使f变化，最终使水表输出值发生同步的变化；
对于超声水表与电磁水表，被测介质温度显著改变或安装时承受非正常外力影响，都会导致D、L以及φ的改变，影响电子水表校准的有效性与准确性。
4.2 环境因素变化
环境影响因素如超出标准规定的要求，也会导致电子水表校准结果发生一定的偏移，如电磁环境影响(静电放电、射频抗扰度等)、气候环境影响(高低温、湿热等)以及机械环境影响(振动、冲击等)等。
4.3 其他因素影响
其他影响因素主要有实流校准方法的科学性与合理性、理论校准方法的测量不确定度，以及测量装置的不确定度等。
测量特性是电子水表传感器的固有特性，是由其结构原理决定的。本文研究与分析了电子水表测量原理、输入-输出特性以及关键性能指标等，有助于深入理解电子水表的原理与特性、针对性地选用正确的校准方法、减少校准过程中的不确定性。通过特性修正，可以将电子水表的非线性特性与系统误差控制在较小的允许范围内，以最大限度满足产品标准对水表出厂检验与现场使用等的要求。
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