李高峰　王宏偉　鄒德超

(國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站東營(yíng)分站，東營(yíng) 257000)

0　引言

流量計(jì)量在貿(mào)易結(jié)算、能源計(jì)量、過(guò)程控制、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)藥衛(wèi)生等方面的檢測(cè)中起著重要作用，流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究和應(yīng)用是流量計(jì)量測(cè)試技術(shù)的主要環(huán)節(jié)。靜態(tài)質(zhì)量流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在我國(guó)流量量值傳遞中起著至關(guān)重要的作用，其不確定度評(píng)定對(duì)于保證流量計(jì)的科學(xué)、準(zhǔn)確，標(biāo)準(zhǔn)裝置的檢定能力、準(zhǔn)確度等方面具有重要意義。本文以某新建靜態(tài)質(zhì)量液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為基礎(chǔ)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)科學(xué)、合理地分析評(píng)定了該裝置的擴(kuò)展不確定度。

1　標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理及特點(diǎn)

靜態(tài)質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置主要組成部分包括水池、電子秤、換向器、管線、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。首先安裝被檢流量計(jì)，啟動(dòng)離心泵通入清潔水，由水池經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓裝置、被檢流量計(jì)進(jìn)入稱(chēng)重容器，最后流回水池。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，把換向器置于旁通管方向，這時(shí)確定稱(chēng)量容器的起始質(zhì)量為M0，改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度及水泵的頻率以得到所需的流量，待流量穩(wěn)定后，啟動(dòng)換向器使流體由旁通管換入稱(chēng)量容器，在換向器啟動(dòng)過(guò)程中，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器和被檢流量計(jì)的脈沖計(jì)數(shù)器。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定的水量或脈沖數(shù)或時(shí)間時(shí)，換向器自動(dòng)換向至旁通側(cè)，同時(shí)記錄下稱(chēng)量容器中所收集到的流體質(zhì)量M、計(jì)時(shí)器顯示的測(cè)量時(shí)間t和流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)器顯示的脈沖數(shù)Nm，完成一次檢定。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1　靜態(tài)質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置流程圖

稱(chēng)量容器中實(shí)際的質(zhì)量Ms可根據(jù)式(1)計(jì)算：

Ms=(M-M0)(1+ε)

(1)

式中：ρa(bǔ)為空氣密度(kg/m3)；ρμ為水密度(kg/m3)；ρF為砝碼材料的密度(kg/m3)；ε為空氣浮力修正系數(shù)。

由質(zhì)量換算到體積量時(shí)：

(2)

式中：VS為流過(guò)被檢流量計(jì)的累積體積流量(m3)。

于是，被檢流量計(jì)的儀表系數(shù)Km(1/m3)可根據(jù)式(3)算出：

(3)

2　裝置的不確定度評(píng)定

按照國(guó)家相關(guān)檢定規(guī)程及考核規(guī)范的要求，所有的流量計(jì)檢定裝置在正式使用前，都要經(jīng)過(guò)計(jì)量管理部門(mén)的檢定，特別是對(duì)裝置不確定度的評(píng)定。對(duì)于靜態(tài)質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，影響其不確定度的主要因素有換向器、衡器、計(jì)時(shí)器的不確定度，分別對(duì)換向器、衡器及計(jì)時(shí)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

2.1　換向器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照J(rèn)JG 164—2000《液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置》檢定規(guī)程規(guī)定換向器的檢定方法，換向器應(yīng)按臺(tái)位，在最大流量、最小流量下進(jìn)行檢定，取各流量點(diǎn)中不確定度的最大值作為該臺(tái)位換向器的不確定度。

根據(jù)實(shí)際情況，本標(biāo)準(zhǔn)裝置換向器采用行程差法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將液體流量調(diào)至換向器實(shí)驗(yàn)流量，穩(wěn)定10min，操作換向器，使換向器換向n(n≥10)次，經(jīng)計(jì)算得出各臺(tái)位的不確定度，如表1所示。

表1　稱(chēng)重臺(tái)位的不確定度

2.2　衡器實(shí)驗(yàn)

按照J(rèn)JG 164—2000《液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置》檢定規(guī)程規(guī)定電子稱(chēng)的檢定方法為：在使用量限范圍內(nèi)至少取10個(gè)均勻分布點(diǎn)(j=1,2，…，m，m≥10)，用標(biāo)準(zhǔn)砝碼依次從j=1逐步加載到j(luò)=m，完成一次檢定；再?gòu)膉=m依次卸載到j(luò)=1，完成第二次檢定。分別記錄各點(diǎn)的加載質(zhì)量、卸載質(zhì)量和電子秤讀數(shù)。重復(fù)進(jìn)行n(n≥10)次的檢定，通過(guò)計(jì)算得出各衡器的不確定度，取其中最大值得到衡器的最終不確定度，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　衡器的不確定度

2.3　計(jì)時(shí)器實(shí)驗(yàn)

由于裝置中計(jì)時(shí)器選擇的是11.0592M晶體，且晶振穩(wěn)定度在10-7的數(shù)量級(jí)上，依據(jù)GB/T 17612—1998中的規(guī)定：只要時(shí)間顯示的分辨力足夠高并且周期性地與國(guó)家時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)(例如某些無(wú)線電臺(tái)所發(fā)射的頻率信號(hào))進(jìn)行校對(duì)，則由計(jì)時(shí)裝置引起的誤差可以忽略不計(jì)。因此，在計(jì)算裝置不確定度時(shí)，計(jì)時(shí)器不確定度一項(xiàng)可以忽略。

2.4　標(biāo)準(zhǔn)裝置的總不確定度

由以上可知，靜態(tài)質(zhì)量法標(biāo)準(zhǔn)裝置的合成不確定度為：

(4)

將各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(4)計(jì)算得各臺(tái)位對(duì)應(yīng)的合成不確定度：

u=0.014％

所以，本裝置的擴(kuò)展不確定度：

U=ku=0.028％，k=2

3　結(jié)論

本文對(duì)某一新建靜態(tài)質(zhì)量法標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，并給出了不確定度的詳細(xì)評(píng)定過(guò)程，經(jīng)計(jì)算得出本裝置的擴(kuò)展不確定度為0.028％(k=2)，滿足開(kāi)展0.1級(jí)流量計(jì)的檢定工作。

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[2]費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009

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[4]JJG 164—2000液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

[5]蘇彥勛，梁國(guó)偉，盛健.流量計(jì)量與測(cè)試[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2007