牛立娜 趙 寧 陳世硯 田鵬飛 李國棟

(1.河北省計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)院，石家莊 050051；2.河北大學(xué)，保定 071000)

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金屬管浮子流量計(jì)檢測(cè)方法及其實(shí)驗(yàn)裝置不確定度評(píng)定

牛立娜1趙 寧2陳世硯1田鵬飛1李國棟1

(1.河北省計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)院，石家莊 050051；2.河北大學(xué)，保定 071000)

針對(duì)常壓氣體檢測(cè)設(shè)備無法模擬金屬管浮子流量計(jì)高壓工況狀態(tài)，更無從得知其計(jì)量準(zhǔn)確性這一現(xiàn)狀進(jìn)行研究，提出了一種具體可行的檢測(cè)方法：即采用空氣壓縮機(jī)和高壓儲(chǔ)氣罐模擬金屬管浮子流量計(jì)標(biāo)稱壓力狀態(tài)，經(jīng)過兩次逐級(jí)減壓系統(tǒng)后流入金屬管浮子流量計(jì)，最終通過緩沖罐進(jìn)入鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)其實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行不確定度評(píng)定，結(jié)果表明該裝置可以滿足金屬管浮子流量計(jì)日常檢定、校準(zhǔn)工作。

金屬管浮子流量計(jì)；檢測(cè)方法；實(shí)驗(yàn)裝置；不確定度分量；評(píng)定

0 引言

浮子流量計(jì)又名轉(zhuǎn)子流量計(jì)或面積流量計(jì)[1]，隨著醫(yī)藥化工行業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量控制日益精進(jìn)，金屬管浮子流量計(jì)作為工藝控制設(shè)備廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，測(cè)量介質(zhì)多為氮?dú)?、氫氣、氧氣、空氣等。本文主要研究以氣體為介質(zhì)、工作壓力在0.05～1.5MPa，測(cè)量上限在100m3/h以內(nèi)的金屬管浮子流量計(jì)的檢測(cè)校準(zhǔn)方法。

1 檢測(cè)方法

根據(jù)國際建議，氣體浮子流量計(jì)的檢測(cè)方法主要有容積法、標(biāo)準(zhǔn)表法兩種[2]。針對(duì)金屬管浮子流量計(jì)特殊的高壓檢測(cè)需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于容積法的檢測(cè)方法，即將高壓空氣經(jīng)過兩次逐級(jí)減壓后通過金屬管浮子流量計(jì)，最終通過緩沖罐進(jìn)入鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)。通過鐘罩標(biāo)準(zhǔn)器修正示值與金屬管浮子示值比對(duì)達(dá)到檢測(cè)目的。

2 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)裝置主要由六部分組成，即空氣壓縮機(jī)、高壓儲(chǔ)氣罐、減壓系統(tǒng)、緩沖罐、鐘罩及溫壓監(jiān)控儀表，示意圖詳見圖1。

1. 0.25級(jí)精密壓力表；2.A級(jí)工業(yè)鉑電阻；3.0.1級(jí)壓力傳感器圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 數(shù)學(xué)模型[3]

根據(jù)上述檢測(cè)方法，按下式計(jì)算流量計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)(刻度)狀態(tài)下的實(shí)際流量qN：

(1)

式中：V為流入鐘罩內(nèi)的氣體體積，m3；t為流入的時(shí)間，h；pN，pS，pm分別為刻度狀態(tài)、氣體裝置內(nèi)、流量計(jì)入口處的氣體絕對(duì)壓力，MPa；TN，TS，Tm分別為刻度狀態(tài)、氣體裝置內(nèi)、流量計(jì)入口處的氣體熱力學(xué)溫度，K；ρSM，ρSN分別為檢定用介質(zhì)和刻度用介質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)(刻度)狀態(tài)下的密度。

4 不確定度分量

金屬浮子流量計(jì)生產(chǎn)投入市場(chǎng)，刻度介質(zhì)、刻度狀態(tài)已經(jīng)確定，即ρSM，ρSN，TN，pN為已知常數(shù)，對(duì)式(1)兩邊取ln，求偏導(dǎo)數(shù)，易知ur(ρSM)=ur(ρSN)=ur(TN)=ur(pN)≈0，則式(1)簡(jiǎn)化為：

(2)

1)標(biāo)準(zhǔn)容器鐘罩累積體積V引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ur(V)

鐘罩標(biāo)準(zhǔn)裝置容積由0.025級(jí)二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器進(jìn)行量值傳遞，標(biāo)準(zhǔn)容積的相對(duì)不確定度：

urA(V)=0.11%；urB(V)=0.12%

由標(biāo)準(zhǔn)容器V引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定分量為：

2)測(cè)量時(shí)間t引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ur(t)

同步測(cè)量時(shí)間使用自動(dòng)計(jì)控系統(tǒng)內(nèi)石英晶體振蕩器，銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)結(jié)果為：

Ur(t)=3.6×10-7，k=2，則其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

3)鐘罩裝置內(nèi)壓力測(cè)量pS引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ur(pS)

鐘罩內(nèi)壓力采集選用0.2級(jí)壓力傳感器，服從正態(tài)分布，包含因子k=2，則由壓力傳感器引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

4)鐘罩裝置內(nèi)溫度測(cè)量TS引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ur(TS)

鐘罩內(nèi)溫度采集選用A級(jí)工業(yè)鉑電阻，其最大允許誤差為±0.2K，服從均勻分布，包含因子k=2，假設(shè)測(cè)量溫度為293.15K，則其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

5)流量計(jì)入口處壓力測(cè)量pm引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ur(pm)

流量計(jì)入口處壓力測(cè)量選用0.25級(jí)精密壓力表，服從正態(tài)分布，包含因子k=2，則其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

6)流量計(jì)入口處溫度測(cè)量Tm引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ur(Tm)

流量計(jì)入口處溫度測(cè)量受兩方面因素的影響，一方面來自于溫度采集設(shè)備，一方面來自壓力變化導(dǎo)致溫度變化。

流量計(jì)入口處溫度測(cè)量同樣選用A級(jí)工業(yè)鉑電阻，其最大允許誤差為±0.2K，服從均勻分布，包含因子k=2，假設(shè)測(cè)量溫度為293.15K，則其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

壓力變化導(dǎo)致溫度變化，通過表1分析：溫度測(cè)量時(shí)間選定在5min內(nèi)和10min以后進(jìn)行測(cè)量均值相差0.172℃，則A級(jí)工業(yè)鉑電阻測(cè)量反應(yīng)遲滯引入的不確定度分量為：

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

將上述不確定度分量按照式(2)合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，具體參數(shù)詳見表2。

表2 合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

6 擴(kuò)展不確定度

日常的檢定要求置信概率為95%，包含因子k=2，所以整套檢定裝置的擴(kuò)展不確定度為：

Ur=kur(qN)=2×0.204%=0.41%

7 結(jié)束語

本文對(duì)金屬管浮子流量計(jì)提出的可行性檢測(cè)方法所用實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了全面的不確定度分析，評(píng)定結(jié)果滿足檢定規(guī)程JJG 257—2007的要求。因此利用該檢定裝置可以開展金屬管浮子流量計(jì)量檢測(cè)工作。

[1] 蘇彥勛，梁國偉，盛健.流量計(jì)量與測(cè)試[M].北京：中國計(jì)量出版社，2007：179-195

[2] JJG 257—2007浮子流量計(jì)[S]

[3] 李金海.誤差理論與測(cè)量不確定度評(píng)定[M].北京：中國計(jì)量出版社，2003：108-157

[4] 吳誠玲，王鈺.浮子流量計(jì)不確定度評(píng)定[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2013(4)：72-73

[5] 孫仁偉.浮子流量計(jì)的發(fā)展介紹[J].自動(dòng)化與儀表，2005(5)：33-35

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.3.16