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8·王强-排水系统电磁流量计在线校核的原理方法和实践.pdf

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1、扩展和后续问题：带压非满管在线校准、数据溯源、排水流量试验室扩展和后续问题：带压非满管在线校准、数据溯源、排水流量试验室现行在线校准方法和存在问题、解决思路和上海团标、安装方式现行在线校准方法和存在问题、解决思路和上海团标、安装方式排水用流量计的分类、测量原理、发展沿革、优缺点和使用注意事项排水用流量计的分类、测量原理、发展沿革、优缺点和使用注意事项目录目录排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践应用案例：泵站电磁流量计校准、污水厂进水和过程流量计校准应用案例：泵站电磁流量计校准、污水厂进水和过程流量计校准流量测量：常用流量方法流量测量：常用流量方法

2、流量，现代水行业的基石和基本要素，需求贯穿各个阶段；流量测量=准确的流量计+合理的测量点+合适的安装方法+科学的数据挖掘。接触式接触式/速度面积法：速度面积法：排水管网流、河道、渠道、泵站的流量测量非接触测量：非接触测量：渠道、排水管网流、特殊设备的流量测量流量计发展史流量计发展史：文丘里流量计：1886年巴氏计量槽：1920年代电磁流量计：1920年代超声波流量计：1952年多普勒流量计：1960年代互相关流量计：2000年每款成熟的排水系统流量计，都需要长期的理论探索、试验验证，以及不断的产品迭代。基于伯努利方程（1726年）基于法拉第原理（1831年）基于多普勒效应（1842年）排水用电

3、磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践l电磁流量计普遍用于排水系统带压满管的流量测量，是排水系统流量的感知底座；l当前国内电磁流量计销量预计为30万-40万套/年；自1980年代国内开始使用电磁流量计以来，累计已使用数百万套，其中水务行业约占30%的份额；l电磁流量计使用法拉第电磁定律（1831）当一导电体经过磁场并切割磁力线，就会产生感应电动势，来测量管道中的液体流量。l当流体运动得更快时，会产生更多的电压。生成的电压与速度和流量Q成正比。电磁流量计简介电磁流量计简介排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践法拉

4、第电磁感应定律vLBUeB=磁场强度磁场强度L=导体长度导体长度v=导体的速度导体的速度部分数据和图片资料来源：部分数据和图片资料来源：E+HUt电化学的干扰电压信号地点：伦敦滑铁卢桥磁场磁场l地球磁场流体流体l泰晤士河水电磁流量计的发展沿革电磁流量计的发展沿革排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践资料来源：资料来源：E+Hl1831年，英国物理学家迈克尔法拉第（Michael Faraday）发现了电磁感应现象；l1833年，法拉第原理的第一次现场试验；l1941年，美国神父Bonaventura Thrlemann（博纳文图拉图勒曼）研究了基于

5、法拉第电磁感应定律来测量流量的可能性n生辰时间：19091997；n瑞士英格堡修道院的物理和数学教师；n1941年开始研究基于法拉第电磁感应定律来测量流量的可能性；n他没有从电磁流量计的发明中索取任何好处。l1952 年，荷兰Tobinmete公司生产了第一台商用电磁流量计；l1977年，瑞士Endress+Hauser公司诞生并开始生产电磁流量计；l1980 年，世界上第一台一体化电磁流量计，Magpac，诞生；l1981年，世界上第一台具有自动零点校正的高精度的电磁流量计，Autozero 2000，诞生；l1987年，世界上第一台两线制的电磁流量计，Eximag，诞生；l1984年，En

6、dress+Hauser 引进第一台用于商业用途的微处理器电磁流量计；l2021年，Endress+Hauser累计生产和销售电磁流量计达3,000,000台。排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践缺点：缺点：只适合电导率5 S/cm的液体；电极上的隔离涂层会引起测量误差；系统运行中无法安装；设备重；安装费用高，无法带水安装；最小测量流速约0.5 m/s；通常仅用于满管。电磁流量计的优点和缺点电磁流量计的优点和缺点优点：优点：用于污水和清水；无阻碍；高精度测量。部分资料来源：部分资料来源：E+H和和NIVUSAbstand(DN)1 Pfad2 P

7、fade4 Pfade3xDN5%2%1,5%Abstand(DN)1 Pfad2 Pfade4 Pfade3xDN5%2%1,5%5xDN3%1,5%1%10 xDN1,5%1%1%Abstand(DN)1 Pfad2 Pfade4 Pfade3xDN5%2%1,5%5xDN3%1,5%1%Distance(DN)1 Path2 Paths4 Paths3xDN5%2%1.5%5xDN3%1.5%1%10 xDN1.5%1%1%自 50 xDN1.5%1%1%VminVmaxResults from numerical simulations project British Standard

8、,2013).Errors without sensor mountingDNDNl雷诺数直接影响电磁流量计的测量精度；雷诺数直接影响电磁流量计的测量精度；l如果要求高精度测量，需要保证足够的前后平直段长度。如果要求高精度测量，需要保证足够的前后平直段长度。可能的测量误差来源：平直段可能的测量误差来源：平直段 vs 雷诺数雷诺数排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践部分资料来源：部分资料来源：NIVUSl生物膜或结垢积累达到了临界水平，导致测量误差；生物膜或结垢积累达到了临界水平，导致测量误差；l生物膜或结垢黏附导致生物膜或结垢黏附导致管径减小管径

9、减小，造成额外的，造成额外的压力损失压力损失。这反过来又会导致能量损失，从而导致。这反过来又会导致能量损失，从而导致运营成本增加。运营成本增加。可能的测量误差来源：生物膜和结垢可能的测量误差来源：生物膜和结垢排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践部分资料来源：部分资料来源：E+H测量电极参考电极测量电极EPD 电极2x测量电极；1x物理空管检测电极；1x接地电极；实体电极确保测量稳定。扩展和后续问题：带压非满管在线校准、数据溯源、排水流量试验室扩展和后续问题：带压非满管在线校准、数据溯源、排水流量试验室现行在线校准方法和存在问题、解决思路和上海团标

10、、安装方式现行在线校准方法和存在问题、解决思路和上海团标、安装方式排水用流量计的分类、测量原理、发展沿革、优缺点和使用注意事项排水用流量计的分类、测量原理、发展沿革、优缺点和使用注意事项目录目录排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践应用案例：泵站电磁流量计校准、污水厂进水和过程流量计校准应用案例：泵站电磁流量计校准、污水厂进水和过程流量计校准电磁流量计需要定期校准准（根据重要程度，1-2年校准1次），主要方法有：l管径管径DN300，拆卸后离线校准；l管径管径DN300，在线校准；住建部行标CJ/T 364-2011管道式电磁流量计在线校准要求【给

11、水行业】，规定采用：（1）标准表法：外夹式超声波时差法流量计，定量测量；（2）电参数法：确定电参数测量与流量测量值之间的函数关系，定性测量；（3）零点漂移法：定性测量。现行电磁流量计在线校准方法现行电磁流量计在线校准方法外夹式超声波时差法流量计排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践在线校准解决了：l使用中的大口径电磁流量计拆卸困难、不可停运等原因，很难拆下送检；l很大一部分大口径电磁流量计由于现场安装使用不规范、内壁微生物膜等给流量计量带来的附加误差也无法通过送检而获得。在线校准是解决这些难题的首选方案。存在的问题存在的问题：l拆卸校准：u工作量大

12、，需要停工停水，对系统运行影响大；u无法检测因为安装等问题导致的附加误差；l现有现场校准方法：u外夹式超声波时差法流量计不适用排水系统；排水系统中的杂质大大降低其测量精度；u污水中杂质多、管壁微生物和结垢覆膜等会增加测量误差，具有较强的不确定性，电参数法和电磁流量计零点漂移法不适合排水行业电磁流量计的校准。现行电磁流量计在线校准方法存在的问题现行电磁流量计在线校准方法存在的问题如何解决排水系统电磁流量计在线校准的难题？l安装简单；l使用方便；l经济成本低；l无需停机操作。l使用场景苛刻使用场景苛刻：管道内径、管道壁厚、管道材质、衬里材质和厚度、测量介质类型、介质温度等参数均有一定要求且需要现场

13、实测；l精度低精度低：大部分便携式外夹式超声波流量计的测量精度往往还不及待校准的电磁流量计的测量精度，相当于是在使使用低精度仪表去校准高精度用低精度仪表去校准高精度仪表仪表。外夹式超声波时差法流量计的优缺点排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践l互相关流量计，互相关流量计，可用于高精度的流量测量；可用于高精度的流量测量；l由由NivuFlow变送器直接测量和显示过流断面的流量剖面，并提供变送器直接测量和显示过流断面的流量剖面，并提供16层流速分布图。层流速分布图。流量传感器像超声波相机一样工作：流量传感器像超声波相机一样工作：l记录超声波束内的水平

14、和垂直方向多个粒子，如同记录超声波束内的水平和垂直方向多个粒子，如同测量测量“颗粒云颗粒云”，并在几毫秒内对颗粒进行相互比较；，并在几毫秒内对颗粒进行相互比较；l流量流量/流速测量值的刷新速度为流速测量值的刷新速度为1-2s；l数据存储间隔为数据存储间隔为30s至至1hr，自由选择；，自由选择；l测量实际流速，无需校准，具有最高的测量精度。测量实际流速，无需校准，具有最高的测量精度。“超声波相机超声波相机”两个相似图像模式的比较两个相似图像模式的比较互相关流量剖面的原始图像互相关流量剖面的原始图像电磁流量计在线校准方法：互相关流量计电磁流量计在线校准方法：互相关流量计排水用电磁流量计在线校准的

15、原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践部分资料来源：部分资料来源：NIVUS互相关流量计：互相关流量计：3D流速剖面流速剖面“超声波相机超声波相机”两个相似图像模式的比较两个相似图像模式的比较测量值的刷新速度为测量值的刷新速度为1-2s以毫秒毫秒为单位的超声波断面图像取样和比较！电磁流量计在线校准方法：插入式互相关电磁流量计在线校准方法：插入式互相关插入式互相关流量计插入深度仅12mm排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践超声波互相关流量计的测量精度验证超声波互相关流量计的测量精度验证排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排

16、水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践l互相关流量计在瑞士联邦计量研究所（METAS）的牵引水槽（tow tank）验证了其高精度；l同步进行CFD模拟对比。请注意，电磁流量计的测量精度是在清水条件下校核；此试验是在浑水条件下进行的校核。电磁流量计在线校准：超声波互相关法电磁流量计在线校准：超声波互相关法排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践在嘉兴水务集团联合污水公司3XDN1800和和1XDN2000电磁流量计电磁流量计在线校准的实践；嘉兴市中心城区51套电磁流量计套电磁流量计在线校准的实践；上海排水行业协会团标T/SWARTA 003 202

17、3排水用电磁流量计在线校准技术规程超声波互相关法，2024年3月1日实施。流量测量视角下的排水系统数字化解决方案流量测量视角下的排水系统数字化解决方案l电磁流量计vs互相关：1xDN800电磁流量计+6x法兰+2x阀门=1355 kg vs 1x插入式互相关=7kg；l插入式互相关流量计基本解决电磁流量计在线校准的难题，兼具安装和维护的便利性；l一次性安装后，后续进行在线校准时无需再开孔。插入式超声波互相关法的安装现场插入式超声波互相关法的安装现场扩展和后续问题：带压非满管在线校准、数据溯源、排水流量试验室扩展和后续问题：带压非满管在线校准、数据溯源、排水流量试验室现行在线校准方法和存在问题

18、、解决思路和上海团标、安装方式现行在线校准方法和存在问题、解决思路和上海团标、安装方式排水用流量计的分类、测量原理、发展沿革、优缺点和使用注意事项排水用流量计的分类、测量原理、发展沿革、优缺点和使用注意事项目录目录排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践应用案例：泵站电磁流量计校准、污水厂进水和过程流量计校准应用案例：泵站电磁流量计校准、污水厂进水和过程流量计校准l九江某污水厂生化池进口电磁流量计与插入式互相关流量计同步比对；l2022年9月21日至10月10日总累计流量（20天），两者的偏差0.24%；l瞬时流量趋势几乎完全一致。应用案例：插入式互

19、相关流量计应用案例：插入式互相关流量计vs电磁流量计电磁流量计排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践应用案例：某污水厂过程流量计（应用案例：某污水厂过程流量计（60万万m3/d）排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践电磁流量计相比于互相关流量计的偏差为18.17%（No.1）DN2000电磁流量计的校准平均偏差降低为0.2%（No.2）DN1800电磁流量计的校准经过比对，发现：两者的测量趋势不一致；偏差达到-22.45%。业主表示该电磁流量计本身有问题，将联系电磁流量计厂家，根据互相关流量计数据进行调

20、试。流量测量视角下的排水系统数字化解决方案流量测量视角下的排水系统数字化解决方案应用案例：某城市应用案例：某城市51套电磁流量计在线校准套电磁流量计在线校准扩展和后续问题：带压非满管在线校准、数据溯源、排水流量试验室扩展和后续问题：带压非满管在线校准、数据溯源、排水流量试验室现行在线校准方法和存在问题、解决思路和上海团标、安装方式现行在线校准方法和存在问题、解决思路和上海团标、安装方式排水用流量计的分类、测量原理、发展沿革、优缺点和使用注意事项排水用流量计的分类、测量原理、发展沿革、优缺点和使用注意事项目录目录排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践

21、应用案例：泵站电磁流量计校准、污水厂进水和过程流量计校准应用案例：泵站电磁流量计校准、污水厂进水和过程流量计校准排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践应用扩展：某深隧泵站带压非满管流量校准应用扩展：某深隧泵站带压非满管流量校准某深隧尾端泵站电磁流量计不准；现场判断为带压非满管；难点是（1）过流断面的平均流速和（2）带压情况下的液位测量。采用插入式互相关流量计+压力插入式互相关流量计+压力传感器传感器的组合测量；或者插入式插入式互相关流量计+超声波液位计互相关流量计+超声波液位计的组合测量。某深隧尾端泵站现场比测（某市城市排水有限公司组织实施）此EX

22、CEL表为某市城市排水有限公司对广州深隧尾端泵站安装的电磁流量计、插入式互相关流量计与根据图纸计算的排水量（体积法）的比对结果。根据此比较结果，不考虑（不考虑（1）图纸尺寸与现）图纸尺寸与现场实际尺寸的偏差，（场实际尺寸的偏差，（2）竖井内楼梯占据体）竖井内楼梯占据体积，和（积，和（3）竖井液位测量精度的影响情况下）竖井液位测量精度的影响情况下，电磁流量计与计算排水体积偏差率为+10.6%，插入式互相关流量计与计算排水体积偏差率为-2.91%。结论：本次测试认为能保证满管状态时，电磁流量计仍可继续使用；但因现场运行时多数工况不能保证满管，所以需增加互相关流需增加互相关流量计以保证排水流量数据准

23、确量计以保证排水流量数据准确。应用扩展：某污水厂进出水量平衡应用扩展：某污水厂进出水量平衡国内某污水处理厂进出水水量平衡测试国内某污水处理厂进出水水量平衡测试l总出水管处流场复杂，流场情况并非处于理想状态；l原来进出水水量偏差40%以上，经过插入式互相关测量，降低至9%左右；l插入式互相关流量计除了可以对排水系统电磁流量计定期进行在线校准之外，也可以作为电磁流量计的备份使用，甚至某些场景可以取代电磁流量计进行流量测量。排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水度量衡和量值溯源基础：排水流量试验室排水度量衡和量值溯源基础：排水流量试验室l国内现有水流

24、量试验室测量介质大部分为清水，少部分为清水或含泥砂水（泥砂比重远高于污水）；l排水系统存在满管和非满管，测量介质为清水和浑水乃至回流污泥（悬浮物浓度达到1万mg/L），密度和运动黏度偏大；l流量测量数据是流量计研发的最重要基础，没有好的流量试验室就不会有好的流量计；l目前国内尚无专业的排水流量试验室。排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践图片来源：德国图片来源：德国NIVUS欧洲先进排水流量试验室欧洲先进排水流量试验室后续问题和结语后续问题和结语电磁流量计是排水行业的数据底座和基石；受设备自身测量质量、安装条件、管道内壁微生物膜或结垢的影响，电磁流

25、量计需要定期校准；和离线校准相比，在线校准考虑了安装条件、内壁污染等因素，更尤其价值；定期在线校准，与电磁流量计的自诊断、自校验和自监测结合，是下一步的可能方向；带压非满管条件下的电磁流量计的在线校准及其标准；排水用电磁流量计在线校准技术规程超声波互相关法仅是团体标准，尚缺乏数据溯源的标准和手段；类似标准如何到计量体系的认可，作为计量和收费的标准；排水行业尚无专业的流量试验室，造成度量衡标准缺失（包括无法在浑水条件下校验电磁流量计），导致量值溯源缺乏手段；排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践排水用电磁流量计在线校准的原理、方法和实践我们呼吁，从标准、排水流量试验室等多方面入手，系统解决排水用电磁流量计在线校准的难题，为排水行业数字化和智能化发展提供技术支撑和保障。

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