一种可用于非满管的电磁流量计生产标定方法与流程

本发明属于电磁流量标定，特别涉及一种可用于非满管的电磁流量计生产标定方法。

背景技术：

1、随着我国环境治理与保护的步伐不断加快，对污水排放进行有效计量的需求也在增加。市政排水管道通常以非满管为主，特定时间段会出现满管状态，污水中往往夹杂大量的枯枝烂叶和生活垃圾等杂物，常用的超声波和多普勒等流量计需固定在管道底部，容易挂载垃圾造成数据不准和管道堵塞，而电磁流量计内壁无任何凸起物，无压力损失，计量精度高且稳定性好，是最适用于市政排水管道长期监测的流量计。

2、在传统应用中，电磁流量计主要用于测量满管流体的流量。在满管条件下，权重函数恒定为1，根据法拉第电磁感应定律，传感器产生的感应电压信号与流体的平均流速保持线性关系。因此，传感器的仪表系数（即感应电压信号与流速之间的比例系数）保持恒定，使得测量精度较高。针对满管流的流量修正方法通常是针对流量或流速点位进行区间修正。

3、然而，在非满管流的情况下，流体截面形状的变化导致权重函数不再保持常数，而是随液位高度变化的函数，这使得流量计的感应电压信号与平均流速之间的关系变得复杂，不再是简单的线性关系，则电磁流量计的仪表系数也会随之变化。这意味着在不同的液位下，相同的流速可能会产生不同的感应电压信号。因此，应用于满管流的标定方法在非满管流的条件下其测量精度会显著下降，而满管流时的流量修正方法也无法有效应用于非满管流。

4、当前国内关于非满管电磁流量计的专利大致分为两大类。第一类专利采用的是u型管等特殊安装方式来确保流量计始终处于满管状态，然而，这种设计方案容易导致管道淤积和堵塞问题。第二类专利则是通过调整电极的位置并结合液位计进行液位测量，运用流速面积法来计算流量，这类方案虽然在结构上有所创新，但其仍旧基于一个假设——即将仪表系数视为与满管时相同的固定值，因此在实际应用中往往难以达到预期的精度。

5、为了满足同时精确测量满管和非满管状态下流量的需求，亟需开发一种新型的标定方法和算法，以便能够准确测量并有效修正非满管条件下的流体流量，确保在不同液位条件下都能达到高精度的测量结果。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种可用于非满管的电磁流量计生产标定方法，根据非满管状态下仪表系数k随液位h变化，不同液位对应唯一k值的理论，本发明通过对各液位点下的k值进行实流标定与分段拟合，在降低生产标定成本的同时，实现满管和非满管状态下的高精度测量。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种可用于非满管的电磁流量计生产标定方法，假设液位由低到高共标定n个点位；

4、令标定的第1个点位为液位充满度为h1的仪表系数k1；标定的第2个点位为液位充满度为h2的仪表系数k2；以此类推，标定第n个点位为液位充满度hn时的仪表系数kn；其中，n为正整数，hn、kn均为实流标定的具体数值；最后1个标定点位为满管，即采用满管流时仪表系数k的标定方式，实现满管时的计量;

5、根据非满管时仪表系数k的标定公式依次对n-1个点位进行实流标定，求得标定系数k的具体数值。

6、优选地，满管流时，液位充满度计算公式如下：

7、；

8、式中，h为流量计管内液位高度，d为流量计管内直径。

9、优选地，根据非满管时仪表系数k的标定公式依次对n-1个点位进行实流标定，求得标定系数k的具体数值，其中非满管时仪表系数k的标定公式：

10、；

11、式中：q为标准表瞬时流量，u为流量计流速信号或流速显示值，a为管内液体截面积；

12、管内液体截面积函数如下：

13、；

14、式中，h为流量计管内液位高度，d为流量计管内直径。

15、非满管时采用分段标定的方法进行实流标定，包括以下三种方式：

16、方式一：非满管时采用分段标定的方法进行实流标定，步骤如下：

17、1）针对实流标定点位数据建立k-h散点图，确定m段线性度较好的区间，即液位充满度，m为正整数；其中 xi表示第i个线性度较好的h区间。

18、2）分别对x1~xm区间的标定点位进行分段线性拟合，对应的拟合函数分别为g1(h)~gm(h)；

19、3）在仪表系数函数拟合完成后，通过采集流量计所测管内液位高度h和流速信号u，即可根据流速公式和流量公式计算管内流体流速v和流量qv。

20、优选地，步骤2）中的仪表系数表达式一为：

21、①， h＜h1；

22、②， h∈xi；

23、③， h≥hn；

24、方式二：非满管时采用分段标定的方法进行实流标定，步骤如下：

25、1）针对实流标定点位数据，分段线性插值方法将h分为n-1个相邻点位区间，即液位充满度，xj=[hj,hj+1)，j为正整数，n≥2；仪表系数表达式二如下：

26、其中，j为正整数，且j∈[1，n-1] ，n≥2；

27、2）仪表系数表达式二为：

28、①，h＜h1；

29、②，h∈[hj,hj+1）;

30、③，h≥hn。

31、3）在仪表系数函数拟合完成后，通过采集流量计所测管内液位高度h和流速信号u，即可根据流速公式和流量公式计算管内流体流速v和流量qv。

32、方式三：非满管时采用分段标定的方法进行实流标定，步骤如下：

33、1）针对实流标定点位数据，三次样条插值方法将h分为n-1个相邻点位区间，即液位充满度，xr=[hr,hr+1)，r为正整数，n≥4；

34、分别对x1~xn-1区间的标定点位,求得其三次样条插值函数分别为f1(h)~fn-1(h)，优选的，边界条件为自然边界条件，

35、2）仪表系数表达式三为：

36、①， h＜h1；

37、②， h∈[hr,hr+1)；

38、③， h≥hn。

39、3）在仪表系数函数拟合完成后，通过采集流量计所测管内液位高度h和流速信号u，即可根据流速公式和流量公式计算管内流体流速v和流量qv。

40、优选地，步骤3）中的流速公式为：；

41、式中，v为管内平均流速，u为流速信号。

42、优选地，步骤3）中的流量公式为：

43、。

44、优选地，步骤3）的流速公式和流量公式的推导过程如下：

45、在封闭圆管道中，水流的工况状态通常分无压非满管流和有压满管流，采用流速-面积法计算体积流量，公式为：

46、（1）；

47、式中，为瞬时流量，v为管内平均流速，a为流量计管内液体截面积；

48、为了实现对非满管流量的测量，通过流速传感器测得流量计管内非满管流体的平均流速v，通过液位传感器测量流量计管内液体高度h，根据式（2）可以计算管内液体截面积a：

49、（2）；

50、式中，d为流量计管内直径，h为流量计管内液位高度；

51、根据法拉第电磁感应定律和j.a.shercliff 权重函数理论，测量电极上测得的感应电压是电极断面内所有流元的集合，若设流元i上的磁场强度为 bi，流元切割磁力线有效长度为li，流元速度为 vi，则测量电极 a、b 上的感应电压的计算公式（3）为：

52、（3）；

53、由式（3）可推导出平均流速v的计算公式（4）：

54、，（4）；

55、定义流量计内液位充满度h公式（5）：

56、，（5）；

57、对于每个特定的液位高度，都存在一个唯一确定的权重函数w的值，则表示为；对于每个特定的液位高度，都存在一个唯一确定的磁场强度b的值，则表示为;则存在函数满足公式（6），即仪表系数k只与液位充满度h有关：

58、，（6）；

59、将式（5）和式（6）带入式（4）则得到关于传感器所测u和h的流速v计算公式：

60、，（7）；

61、将式（7）和式（2）带入式（1）则得到关于传感器所测u和h的流量计算公式：

62、，(8)。

63、一种可用于非满管的电磁流量计生产标定系统，采用了一种可用于非满管的电磁流量计生产标定方法。

64、本发明可达到以下有益效果：

65、(1)高精度测量：通过针对液位充满度进行标定，能够适用于非满管和满管状态下的高精度测量，满足多变的实际应用场景。

66、(2)成本优化：分段标定方案通过分析关键液位点，减少了标定数量，有效降低了标定和生产成本。

67、(3)适用性广泛：对流速电极结构和位置要求不高，可直接对现有产品进行改造，提高了适用性。

68、(4)清洁环保：无压力损失，计量精度不受流体物理性质影响，特别适合污水计量。

69、(5)减少维护：内壁无凸起物，减少了管道堵塞和仪器维护问题。

70、(6)促进环境监测：适应环境治理需求，为污染物排放监测提供了有效工具。

71、(7)泛用性：不限于市政排水，也适用于工业废水处理和其他流量测量场景。

技术特征：

1.一种可用于非满管的电磁流量计生产标定方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种可用于非满管的电磁流量计生产标定方法，其特征在于：满管流时，液位充满度计算公式如下：

3.根据权利要求1所述的一种可用于非满管的电磁流量计生产标定方法，其特征在于：根据非满管时仪表系数k的标定公式依次对n-1个点位进行实流标定，求得标定系数k的具体数值，其中非满管时仪表系数k的标定公式：

4.根据权利要求3所述的一种可用于非满管的电磁流量计生产标定方法，其特征在于：非满管时采用分段标定的方法进行实流标定，步骤如下：

5.根据权利要求4所述的一种可用于非满管的电磁流量计生产标定方法，其特征在于：步骤2）中的仪表系数表达式一为：

6.根据权利要求3所述的一种可用于非满管的电磁流量计生产标定方法，其特征在于：非满管时采用分段标定的方法进行实流标定，步骤如下：

7.根据权利要求3所述的一种可用于非满管的电磁流量计生产标定方法，其特征在于：非满管时采用分段标定的方法进行实流标定，步骤如下：

8.根据权利要求4或5或6或7所述的一种可用于非满管的电磁流量计生产标定方法，其特征在于：步骤3）中的流速公式为：；

9.根据权利要求4或5或6或7所述的一种可用于非满管的电磁流量计生产标定方法，其特征在于： 步骤3）中的流量公式为：

10.根据权利要求9所述的一种可用于非满管的电磁流量计生产标定方法，其特征在于：步骤3）的流速公式和流量公式的推导过程如下：

11.一种可用于非满管的电磁流量计生产标定系统，其特征在于：采用了根据权利要求5或6或7中所述的一种可用于非满管的电磁流量计生产标定方法。

技术总结
一种可用于非满管的电磁流量计生产标定方法，假设液位由低到高共标定n个点位；令标定的第1个点位为液位充满度为H<subgt;1</subgt;的仪表系数k<subgt;1</subgt;；标定的第2个点位为液位充满度为H<subgt;2</subgt;的仪表系数k<subgt;2</subgt;；以此类推，标定第n个点位为液位充满度H<subgt;n</subgt;时的仪表系数k<subgt;n</subgt;；其中，n为自然整数，H<subgt;n</subgt;、k<subgt;n</subgt;均为实流标定的具体数值；最后1个标定点位为满管，即采用满管流时仪表系数k的标定方式，实现满管时的计量。根据非满管状态下仪表系数k随液位h变化，不同液位对应唯一k值的理论，本发明通过对各液位点下的k值进行实流标定与分段拟合，在降低生产标定成本的同时，实现满管和非满管状态下的高精度测量。

技术研发人员：贾改革,陈彦霖,张俊,焦洋,贾伯阳,曾雷,张超,李程,王超
受保护的技术使用者：重庆市三峡生态环境技术创新中心有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23