水表的使用及计量误差分析

水表的使用及计量误差分析



    目前，在DN200以下的供水管道中，在用水表多为小口径旋翼式和大口径螺翼式。从现场应用情况来看，影响水表计量准确度的因素很多，如口径、流量选择不当，管道水质中夹带着固体杂质颗粒，水表零件的机械磨损、管网水压不稳定以及水温偏低等，均会导致水表计量偏快或偏慢。其中，水表安装倾斜造成的误差很大，尤其是对小流量的影响。因此，为了保证水表计量的准确度，不仅应在选型、安装、使用、维护等方面遵循技术规范，而且还应当重视对水表使用中的误差分析，找出影响水表误差的原因，提出改进措施，降低水表运行中的计量误差。
   
一、水表的安装与使用
    1.水表的安装
    水表的正确安装是保证水表计量准确的必要保障，应按照GB/T778.2-2007《封闭满管道中水流量的测量  饮用冷水水表和热水水表 第2部分:安装要求》国家标准进行规范安装。水表上游流动扰动会引起较大的误差和提前磨损。流动扰动主要有速度剖面畸变和漩涡两种。前者是由障碍物部分阻塞管道引起的，如管道中存在部分关闭的阀、蝶阀、止回阀等。后者则是由不同平面上的两个或多个弯头、离心泵等引起的，这种影响可用水表上、下游保证不少于10倍、5倍的水表标称口径的直管段加以控制。如果不能满足直管段要求，可安装整直器。因此，水表安装前必须冲洗管道，清除石子、泥沙等垃圾，必要时应加装滤网或过滤器，以减少水表的计量误差。
    2.水表的使用
    水中混有空气，往往会滞留在水表的上部调整器和其他较高的空间内，直接造成水表多计数。不仅如此，表中的空气还会削弱调整器对水的反击作用，使水表指示的水量增加。在这种情况下，应在水表上游安装放气阀并避免频繁开关阀门。否则，尤其是在关闭阀门时，会产生“水锤”现象。这是因为水是不可压缩的，水流的惯性力在瞬间会对阀门、管道和水表产生巨大的压力，轻者降低阀门和水表的寿命，重者造成阀门损坏、管道破裂或水表机芯变形。试验表明，随着水表前、后阀门的关闭，水表的计量准确度会降低，误差增加；当阀门关到2/3时，误差会增加10%甚至更大。所以，应尽量减少开关阀门的次数。
   
二、水表计量的误差分析
    1.系统误差
    系统误差主要由水表检定装置误差和附件误差构成。水表检定系统是确定水表准确度的依据。在常用的检定系统中，其瞬时流量计和标准量器的误差、水表接口与测量管段的上下游段内径不一致造成水压的不稳定及试验段、阀门的渗漏等情况，将直接影响水表检定装置的准确性。由于系统误差在水表的整个检定过程中，是以固定的形式传递给水表的，因此，为保证水表检定结果的准确可靠，一定要按照JJG162-2007《冷水水表》检定规程的要求，由法定计量检定机构对检定系统进行考核和检定，必要时给出修正值。
    2.随机误差
    (1)水表质量和选型不当引起的误差
    水表的质量直接关系到水表的准确度。一些不法商贩使用劣质材料制造表芯零件，大量组装假冒伪劣水表，其准确度和使用寿命不言而喻。产品质量存在较严重的问题，若受到外部碰撞震动及流量、压力变化，往往会造成水表的严重失准或损坏。另外，水表型号和口径选择不当，也不能保证用户常用水量满足水表的分界流量和最小流量要求，会引起使用误差。
    (2)人为因素造成的误差
    在水表检定的过程中，由于技术方面的原因以及经验不足，不严格执行检定规程，检定装置和水表内空气未排除干净，量器内水未排除干净就开始计量，水柱未处于稳定状态就读取示值，造成示值误差；或者是检定员眼睛分辨力下降、读取方法不当等造成读取示值误差；另外，亦可能因检定人员责任心不强、马虎从事，出现读数误差。
    (3)水表安装及水质引起的误差
    有些在建施工单位，对GB/T778.2-2007水表安装要求中的有关规定不甚了解，因安装不当造成的水流速度剖面畸变和漩涡对水表造成的影响更是不知，安装之前对管道未预冲洗，致使建筑垃圾进入水表；城市的供水管道破裂修复后未进行冲洗，也会因麻丝、沙石等杂物而造成堵塞。二者均会造成水表失准和损坏。另外，水表在使用中混有空气会降低调节板对水的反击作用，以致引起水表示值误差。由数据表明，DN15的水表在1000L/h的情况下，如果横向倾斜45°，误差增加1%，如果纵向倾斜45°，误差最大会增加3%。在180L/h的情况下，如果横向倾斜45°，误差会增加5%以上；如果纵向倾斜45°，误差会增加20%甚至更大。

三、水表误差特性和使用中的误差分析

    1.水表的误差特性
    水表的流量误差是经实验测试得出的。流量范围根据分界流量分为高区和低区两部分，各区有相应的最大允许误差。从最小流量至分界流量为低区，从分界流量至过载流量为高区。水表的准确度等级分为1级和2级，2级的水表最高允许误差在高区(Q2≤Q≤Q4)为±2%，在低区(Q1≤Q≤Q2)为±5%。旋翼式水表的误差特性用水表的示值误差E与流量来表示。旋翼式水表误差特性曲线如图1a所示。其特征是:在小流量时误差急剧偏负；随着流量增至分界流量附近，误差曲线快速向正向移动，并达到一个峰值；当流量继续增大时，误差曲线又向负方向偏移。水平螺翼式水表误差特性曲线如图1b所示。特征与旋翼式相近，只是在分界流量附近误差曲线快速趋于平稳。前后直管段和进水阀开放状态对性能曲线的变化影响较大。
   




    图1  水表误差特性


    2.水表使用中的误差分析
    水表就其本身的计量误差尚存不尽如人意之处，尤其在小流量时误差偏大，在小于始动流量状态计量误差很大或不计量。这个问题对于准确计量产生了一定的影响。水表的计量误差是在实验室标准条件下测得的，在使用过程中很难保证现场条件与检定条件一致，因此，如果不注意使用过程中的条件因素往往会造成一定的附加误差。以下是影响使用中水表计量准确度的主要因素:
    (1)使用设计方面
    首先是水表质量。选用水表的质量问题是使用过程很重要的一个因素。随着经济快速发展，有些作坊式的水表生产点制造工艺条件简陋，零部件材质的耐磨性、质量检验水平都达不到标准要求，这一点应引起设计、选型人员的充分注意。二是直管段条件。水表使用过程中，只有达到技术条件要求才能保证其计量的准确性。从现场使用的水表来看，绝大部分都不符合前后直管段安装的要求，特别是大口径水表，造成误差很大。三是水表口径的选择。有时设计人员仅根据供水管径选择水表口径，这样往往会造成实际用水量达不到水表常用流量范围，长期运行在小流量状态，致使计量误差偏大。四是水表背压条件。水龙头高于水表的安装并不多，如果达不到这一要求则水表不能正常计量。因此，在设计安装时就应充分注意。
    (2)使用现场条件
    中国城镇供水协会于1992年组织了10个大、中型城市的自来水公司对1432只不同口径的在装水表准确度现状进行了调查，其结论:“小口径水表合格率约为60%，较大口径水表更差。总体计量偏正，误差幅度约为5%，产生水表误差偏高的主要原因是水表使用的现场条件所致”。首先是管网水质因素。当水中夹带的固体杂质(如沙粒、麻丝、锈垢等)沉积于水表滤水网和流量调节孔的底部时，会造成本应分流的水没有充分分流而作用于叶轮，致使叶轮转速加快计量偏正。由于水中的固体颗粒易结成水垢，致使滤水网、叶轮盒进水孔的孔径变小，流速加快导致叶轮转速加快，水表计量偏正。其次是水表顶针的机械磨损因素。顶针是水表内支撑叶轮转动的关键部件，在连续运行过程中，极易造成顶针尖部磨损，从而使顶尖与叶轮之间摩擦系数增大，水表计量偏负。另外，顶尖与叶轮位置下降，也会使叶轮与齿轮盒之间的空隙增大，水流的阻尼减小，大流量时计量偏正。这两种状态综合发生的结果会导致水表在小流量时计量偏负，大流量时计量偏正。通过对兰州水司2000只到期水表拆回抽检的结果来看，小口径水表(3年周期)合格率为70%，大口径水表(2年周期)约为74%，不容乐观。
    经上述分析，由于管道中杂质堵塞等原因，水表计量呈正超差趋势，而随着机械磨损程度的增加，顶针与叶轮以及其他部件之间的摩擦系数增大，使水表计量又向负超差的趋势转变，进而抵消了导致水表偏正的因素，使总的计量误差又出现了回升现象。但随着水表运行时间的延长，机械磨损因素增强，会导致总的计量偏负，这一点必须引起重视。水表使用年限与计量误差的关系如图2所示。
   




    图2  水表误差与使用年限趋势图


    图2仅是水表误差与使用年限趋势示意图，不同环境条件下不尽一致，只有通过大量的实验才能较准确地绘制A、B、C、D各段误差的变化规律。
   

四、降低水表误差的措施

    水表选型首先应考虑水表长期运行的稳定性和综合质量的可靠性，并对选购的水表质量进行跟踪考核，定期进行型式评价，以保证使用中的水表质量达到要求。二是要保证直管段及水质条件。确保水表上下游直管段长度的要求，否则，应安装滤网、过滤器和整直器，消除固体颗粒和漩涡的影响，以满足水表的最大允许误差要求。尤其是大口径水表更应认真对待，切实做好管道破裂抢修后的清洗工作。三是科学选择水表口径。水表的始动流量与水表口径呈正比关系。随着口径增大，始动流量增大，灵敏度相应降低。要按常用流量的大小选择水表口径。四是背压条件应满足JJG162-2007中“水表出口压力应不小于0.03MPa”的要求。可采取水龙头高于水表的方法，也可选用立式水表。五是加强水表检定管理。严格按照JJG162-2007对水表进行首次检定、后续检定和使用中检验。对住宅生活用水表，也可实施“首次强制检定，限期使用，到期轮换”的方式，并采取离线检定和在线检验相结合的方式做好周检。水表的首检易做，而后续检定工作难度较大，但它仍然是保障水表准确度的重要手段。