水表的使用及計量誤差分析

水表的使用及計量誤差分析



    目前，在DN200以下的供水管道中，在用水表多為小口徑旋翼式和大口徑螺翼式。從現場應用情況來看，影響水表計量準確度的因素很多，如口徑、流量選擇不當，管道水質中夾帶著固體雜質顆粒，水表零件的機械磨損、管網水壓不穩定以及水溫偏低等，均會導致水表計量偏快或偏慢。其中，水表安裝傾斜造成的誤差很大，尤其是對小流量的影響。因此，為了保證水表計量的準確度，不僅應在選型、安裝、使用、維護等方面遵循技術規范，而且還應當重視對水表使用中的誤差分析，找出影響水表誤差的原因，提出改進措施，降低水表運行中的計量誤差。
   
一、水表的安裝與使用
    1.水表的安裝
    水表的正確安裝是保證水表計量準確的必要保障，應按照GB/T778.2-2007《封閉滿管道中水流量的測量  飲用冷水水表和熱水水表 第2部分:安裝要求》國家標準進行規范安裝。水表上游流動擾動會引起較大的誤差和提前磨損。流動擾動主要有速度剖面畸變和漩渦兩種。前者是由障礙物部分阻塞管道引起的，如管道中存在部分關閉的閥、蝶閥、止回閥等。后者則是由不同平面上的兩個或多個彎頭、離心泵等引起的，這種影響可用水表上、下游保證不少于10倍、5倍的水表標稱口徑的直管段加以控制。如果不能滿足直管段要求，可安裝整直器。因此，水表安裝前必須沖洗管道，清除石子、泥沙等垃圾，必要時應加裝濾網或過濾器，以減少水表的計量誤差。
    2.水表的使用
    水中混有空氣，往往會滯留在水表的上部調整器和其他較高的空間內，直接造成水表多計數。不僅如此，表中的空氣還會削弱調整器對水的反擊作用，使水表指示的水量增加。在這種情況下，應在水表上游安裝放氣閥并避免頻繁開關閥門。否則，尤其是在關閉閥門時，會產生“水錘”現象。這是因為水是不可壓縮的，水流的慣性力在瞬間會對閥門、管道和水表產生巨大的壓力，輕者降低閥門和水表的壽命，重者造成閥門損壞、管道破裂或水表機芯變形。試驗表明，隨著水表前、后閥門的關閉，水表的計量準確度會降低，誤差增加；當閥門關到2/3時，誤差會增加10%甚至更大。所以，應盡量減少開關閥門的次數。
   
二、水表計量的誤差分析
    1.系統誤差
    系統誤差主要由水表檢定裝置誤差和附件誤差構成。水表檢定系統是確定水表準確度的依據。在常用的檢定系統中，其瞬時流量計和標準量器的誤差、水表接口與測量管段的上下游段內徑不一致造成水壓的不穩定及試驗段、閥門的滲漏等情況，將直接影響水表檢定裝置的準確性。由于系統誤差在水表的整個檢定過程中，是以固定的形式傳遞給水表的，因此，為保證水表檢定結果的準確可靠，一定要按照JJG162-2007《冷水水表》檢定規程的要求，由法定計量檢定機構對檢定系統進行考核和檢定，必要時給出修正值。
    2.隨機誤差
    (1)水表質量和選型不當引起的誤差
    水表的質量直接關系到水表的準確度。一些不法商販使用劣質材料制造表芯零件，大量組裝假冒偽劣水表，其準確度和使用壽命不言而喻。產品質量存在較嚴重的問題，若受到外部碰撞震動及流量、壓力變化，往往會造成水表的嚴重失準或損壞。另外，水表型號和口徑選擇不當，也不能保證用戶常用水量滿足水表的分界流量和最小流量要求，會引起使用誤差。
    (2)人為因素造成的誤差
    在水表檢定的過程中，由于技術方面的原因以及經驗不足，不嚴格執行檢定規程，檢定裝置和水表內空氣未排除干凈，量器內水未排除干凈就開始計量，水柱未處于穩定狀態就讀取示值，造成示值誤差；或者是檢定員眼睛分辨力下降、讀取方法不當等造成讀取示值誤差；另外，亦可能因檢定人員責任心不強、馬虎從事，出現讀數誤差。
    (3)水表安裝及水質引起的誤差
    有些在建施工單位，對GB/T778.2-2007水表安裝要求中的有關規定不甚了解，因安裝不當造成的水流速度剖面畸變和漩渦對水表造成的影響更是不知，安裝之前對管道未預沖洗，致使建筑垃圾進入水表；城市的供水管道破裂修復后未進行沖洗，也會因麻絲、沙石等雜物而造成堵塞。二者均會造成水表失準和損壞。另外，水表在使用中混有空氣會降低調節板對水的反擊作用，以致引起水表示值誤差。由數據表明，DN15的水表在1000L/h的情況下，如果橫向傾斜45°，誤差增加1%，如果縱向傾斜45°，誤差最大會增加3%。在180L/h的情況下，如果橫向傾斜45°，誤差會增加5%以上；如果縱向傾斜45°，誤差會增加20%甚至更大。

三、水表誤差特性和使用中的誤差分析

    1.水表的誤差特性
    水表的流量誤差是經實驗測試得出的。流量范圍根據分界流量分為高區和低區兩部分，各區有相應的最大允許誤差。從最小流量至分界流量為低區，從分界流量至過載流量為高區。水表的準確度等級分為1級和2級，2級的水表最高允許誤差在高區(Q2≤Q≤Q4)為±2%，在低區(Q1≤Q≤Q2)為±5%。旋翼式水表的誤差特性用水表的示值誤差E與流量來表示。旋翼式水表誤差特性曲線如圖1a所示。其特征是:在小流量時誤差急劇偏負；隨著流量增至分界流量附近，誤差曲線快速向正向移動，并達到一個峰值；當流量繼續增大時，誤差曲線又向負方向偏移。水平螺翼式水表誤差特性曲線如圖1b所示。特征與旋翼式相近，只是在分界流量附近誤差曲線快速趨于平穩。前后直管段和進水閥開放狀態對性能曲線的變化影響較大。
   




    圖1  水表誤差特性


    2.水表使用中的誤差分析
    水表就其本身的計量誤差尚存不盡如人意之處，尤其在小流量時誤差偏大，在小于始動流量狀態計量誤差很大或不計量。這個問題對于準確計量產生了一定的影響。水表的計量誤差是在實驗室標準條件下測得的，在使用過程中很難保證現場條件與檢定條件一致，因此，如果不注意使用過程中的條件因素往往會造成一定的附加誤差。以下是影響使用中水表計量準確度的主要因素:
    (1)使用設計方面
    首先是水表質量。選用水表的質量問題是使用過程很重要的一個因素。隨著經濟快速發展，有些作坊式的水表生產點制造工藝條件簡陋，零部件材質的耐磨性、質量檢驗水平都達不到標準要求，這一點應引起設計、選型人員的充分注意。二是直管段條件。水表使用過程中，只有達到技術條件要求才能保證其計量的準確性。從現場使用的水表來看，絕大部分都不符合前后直管段安裝的要求，特別是大口徑水表，造成誤差很大。三是水表口徑的選擇。有時設計人員僅根據供水管徑選擇水表口徑，這樣往往會造成實際用水量達不到水表常用流量范圍，長期運行在小流量狀態，致使計量誤差偏大。四是水表背壓條件。水龍頭高于水表的安裝并不多，如果達不到這一要求則水表不能正常計量。因此，在設計安裝時就應充分注意。
    (2)使用現場條件
    中國城鎮供水協會于1992年組織了10個大、中型城市的自來水公司對1432只不同口徑的在裝水表準確度現狀進行了調查，其結論:“小口徑水表合格率約為60%，較大口徑水表更差。總體計量偏正，誤差幅度約為5%，產生水表誤差偏高的主要原因是水表使用的現場條件所致”。首先是管網水質因素。當水中夾帶的固體雜質(如沙粒、麻絲、銹垢等)沉積于水表濾水網和流量調節孔的底部時，會造成本應分流的水沒有充分分流而作用于葉輪，致使葉輪轉速加快計量偏正。由于水中的固體顆粒易結成水垢，致使濾水網、葉輪盒進水孔的孔徑變小，流速加快導致葉輪轉速加快，水表計量偏正。其次是水表頂針的機械磨損因素。頂針是水表內支撐葉輪轉動的關鍵部件，在連續運行過程中，極易造成頂針尖部磨損，從而使頂尖與葉輪之間摩擦系數增大，水表計量偏負。另外，頂尖與葉輪位置下降，也會使葉輪與齒輪盒之間的空隙增大，水流的阻尼減小，大流量時計量偏正。這兩種狀態綜合發生的結果會導致水表在小流量時計量偏負，大流量時計量偏正。通過對蘭州水司2000只到期水表拆回抽檢的結果來看，小口徑水表(3年周期)合格率為70%，大口徑水表(2年周期)約為74%，不容樂觀。
    經上述分析，由于管道中雜質堵塞等原因，水表計量呈正超差趨勢，而隨著機械磨損程度的增加，頂針與葉輪以及其他部件之間的摩擦系數增大，使水表計量又向負超差的趨勢轉變，進而抵消了導致水表偏正的因素，使總的計量誤差又出現了回升現象。但隨著水表運行時間的延長，機械磨損因素增強，會導致總的計量偏負，這一點必須引起重視。水表使用年限與計量誤差的關系如圖2所示。
   




    圖2  水表誤差與使用年限趨勢圖


    圖2僅是水表誤差與使用年限趨勢示意圖，不同環境條件下不盡一致，只有通過大量的實驗才能較準確地繪制A、B、C、D各段誤差的變化規律。
   

四、降低水表誤差的措施

    水表選型首先應考慮水表長期運行的穩定性和綜合質量的可靠性，并對選購的水表質量進行跟蹤考核，定期進行型式評價，以保證使用中的水表質量達到要求。二是要保證直管段及水質條件。確保水表上下游直管段長度的要求，否則，應安裝濾網、過濾器和整直器，消除固體顆粒和漩渦的影響，以滿足水表的最大允許誤差要求。尤其是大口徑水表更應認真對待，切實做好管道破裂搶修后的清洗工作。三是科學選擇水表口徑。水表的始動流量與水表口徑呈正比關系。隨著口徑增大，始動流量增大，靈敏度相應降低。要按常用流量的大小選擇水表口徑。四是背壓條件應滿足JJG162-2007中“水表出口壓力應不小于0.03MPa”的要求。可采取水龍頭高于水表的方法，也可選用立式水表。五是加強水表檢定管理。嚴格按照JJG162-2007對水表進行首次檢定、后續檢定和使用中檢驗。對住宅生活用水表，也可實施“首次強制檢定，限期使用，到期輪換”的方式，并采取離線檢定和在線檢驗相結合的方式做好周檢。水表的首檢易做，而后續檢定工作難度較大，但它仍然是保障水表準確度的重要手段。