楊海燕，趙婷婷，韋宣，由志勛

(西安熱工研究院有限公司，陜西西安710032)

0 引言

JJG 225-2001《熱能表檢定規(guī)程》中，熱能表的檢定主要分為總量校準(zhǔn)和分量檢定，而且主要是針對(duì)載熱介質(zhì)為液體的熱能表的檢定，檢定用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備為:熱水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置或標(biāo)準(zhǔn)熱能表等，對(duì)于載熱介質(zhì)為過熱蒸汽的熱量測(cè)量裝置不是很適用，因此，該熱量測(cè)量裝置參考JJG 225-2001《熱能表檢定規(guī)程》，采用先分量檢定各項(xiàng)傳感器，將檢定合格的流量用差壓變送器與熱量測(cè)量裝置連接，其他量模擬輸入的方法進(jìn)行整體檢定。目的是盡量還原現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的使用狀態(tài)，使校準(zhǔn)的結(jié)果具有更高的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

1 工作原理

熱量測(cè)量裝置為組合式熱量測(cè)量?jī)x表，它由獨(dú)立的差壓流量傳感器、工作壓力傳感器、pt100工業(yè)鉑熱電阻和顯示儀表組成。它的工作原理是:將pt100工業(yè)鉑熱電阻安裝在熱交換回路的入口管道上(冷凝水回收時(shí)，出口處也應(yīng)安裝溫度傳感器)，將差壓流量傳感器(差壓變送器)安裝在入口管上;差壓流量傳感器發(fā)出流量信號(hào)，pt100工業(yè)鉑熱電阻給出入口溫度信號(hào)，顯示儀表采集流量信號(hào)、溫度信號(hào)和工作壓力信號(hào);經(jīng)過計(jì)算，顯示儀表顯示出載熱介質(zhì)釋放的瞬時(shí)熱量值。

2 校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)熱量測(cè)量裝置的標(biāo)準(zhǔn)器為:0.005級(jí)活塞式壓力計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置、±0.005%的數(shù)字多用表、0.01級(jí)的精密直流電阻箱和二等鉑電阻溫度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置。校準(zhǔn)采用方式為:先對(duì)熱量測(cè)量裝置的各分量傳感器進(jìn)行檢定，將檢定合格的測(cè)量流量值的差壓變送器與熱量測(cè)量裝置連接，工作壓力、工作溫度采用模擬輸入法的方式連接后再進(jìn)行總量校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系統(tǒng)連接示意圖如圖1所示。

圖1 熱量測(cè)量裝置校準(zhǔn)連接示意圖

校準(zhǔn)依據(jù)JJG 882-2004《壓力變送器檢定規(guī)程》、JJG 640-1994《差壓式流量計(jì)檢定規(guī)程》、JJG 1003-2005《流量積算儀檢定規(guī)程》、JJG 225-2001《熱能表檢定規(guī)程》和JJG 229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程》。

將熱量測(cè)量裝置配套的流量測(cè)量通道用差壓變送器，工作壓力通道用壓力變送器，工作溫度通道用Pt100鉑熱電阻分別按照相應(yīng)的檢定規(guī)程進(jìn)行檢定，對(duì)熱量測(cè)量裝置的流量測(cè)量和熱量測(cè)量進(jìn)行整體校準(zhǔn)。

在整體校準(zhǔn)時(shí)，校準(zhǔn)連接示意圖如圖1，將差壓變送器輸出端接入熱量測(cè)量裝置流量通道的輸入端，同時(shí)用6位半數(shù)字多用表監(jiān)測(cè)壓力變送器輸出電流值;將工作壓力變送器輸出端接入熱量測(cè)量裝置工作壓力通道的輸入端，同時(shí)用6位半數(shù)字多用表監(jiān)測(cè)壓力變送器輸出電流值;連接工作溫度通道的設(shè)備為0.01級(jí)精密直流電阻箱。

熱量測(cè)量裝置瞬時(shí)流量、瞬時(shí)熱量校準(zhǔn)時(shí)，將各通道的設(shè)置為:工作壓力、工作溫度點(diǎn)將用戶提供的實(shí)際進(jìn)行輸入，流量和熱量通道在設(shè)定的差壓壓力點(diǎn)按正反行程緩慢升壓和降壓，通過改變壓力值從而使差壓變送器輸出值隨之變化，實(shí)時(shí)測(cè)得瞬時(shí)流量和瞬時(shí)熱量值，再通過計(jì)算得到瞬時(shí)流量值和瞬時(shí)熱量值的理論值，將測(cè)得值和理論值進(jìn)行比較，如此進(jìn)行至少6個(gè)循環(huán)的校準(zhǔn)。

3 不確定度評(píng)定

3.1 數(shù)學(xué)模型

熱量測(cè)量:熱量測(cè)量裝置選擇冷凝水不回收狀態(tài)時(shí)，熱量的測(cè)量模型如下式:

式中:Q為熱量測(cè)量裝置的瞬時(shí)熱量，kJ/h;h焓值為根據(jù)過熱蒸汽的工作壓力(用絕對(duì)壓力)和工作溫度查表得到，或者根據(jù)IAPWS-IF97公式計(jì)算得到，kJ/kg;qm為熱量測(cè)量裝置的瞬時(shí)質(zhì)量流量，kg/h。

其中流量由公式(2)計(jì)算得到

式中:K為儀表系數(shù);p為差壓值，Pa;ρ為工作介質(zhì)標(biāo)況密度;kg/m3。根據(jù)工作介質(zhì)在一定的工作壓力和工作溫度下查表得到2.726 kg/m3。

差壓值p包括兩項(xiàng)內(nèi)容:一是壓力系統(tǒng)的壓力值p1;二是差壓變送器工作位置與活塞式壓力計(jì)工作位置不在同一水平面對(duì)應(yīng)的高度差所產(chǎn)生的壓力p2。

p2表達(dá)式為

式中:ρ2為校準(zhǔn)用工作介質(zhì)的密度，kg/m3;

綜上所述，式(1)可寫成式(4)，有

校準(zhǔn)時(shí)，環(huán)境溫度滿足0.005級(jí)活塞式壓力計(jì)的使用環(huán)境條件要求，即在24 h保持在(20±1)℃，在每個(gè)校準(zhǔn)循環(huán)，環(huán)境溫度波動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于被校準(zhǔn)的熱量測(cè)量裝置的環(huán)境溫度的要求，所以環(huán)境溫度的變化對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響不予考慮。

瞬時(shí)熱量顯示值的校準(zhǔn)結(jié)果相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度包括以下幾項(xiàng):

1)重復(fù)測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(A類評(píng)定);

2)標(biāo)準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(B類評(píng)定);

3)過熱蒸汽密度ρ引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(B類評(píng)定);

4)氣柱高度差h引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(B類評(píng)定);

5)焓值h焓值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(B類評(píng)定)。

除重復(fù)測(cè)量引入的不確定度分量外，其他各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的靈敏系數(shù)由公式(4)分別取偏導(dǎo)可得

3.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

已知被校準(zhǔn)熱量測(cè)量裝置的相關(guān)參數(shù)為:差壓范圍:0～20 kPa;流量范圍:0～40 t/h;熱量范圍:0～134.90 GJ/h。

校準(zhǔn)時(shí)，根據(jù)上述校準(zhǔn)方法的要求在設(shè)定的差壓壓力點(diǎn)，按正反行程緩慢升壓和降壓，同時(shí)記錄差壓變送器的輸出電流值、流量測(cè)量瞬時(shí)值和熱量測(cè)量瞬時(shí)值，如此進(jìn)行至少6個(gè)循環(huán)的校準(zhǔn)，本文以作用差壓壓力8 kPa為典型值(實(shí)際測(cè)得差壓變送器輸出平均值為10.404 mA，流量輸出平均值為25.4 t/h，熱量輸出平均值為85.50 GJ/h)進(jìn)行校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析，其他點(diǎn)差壓壓力點(diǎn)方法相同。

3.2.1 重復(fù)測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

計(jì)算上行程和下行程動(dòng)的單次測(cè)量重復(fù)性和平均值的測(cè)量重復(fù)性，并選用單次測(cè)量的相對(duì)測(cè)量重復(fù)性作為本次評(píng)定中重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。

由重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量采用貝塞爾公式計(jì)算。

s標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算公式見公式(5)，式中n=6，則

單次測(cè)量值的相對(duì)重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1為

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

0.005 %級(jí)活塞式壓力計(jì)測(cè)量壓力的不確定度由檢定有效期內(nèi)的檢定證書上給出，Up=0.0018%，k2=2，標(biāo)準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度up為

3.2.3 氣柱差h引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

3.2.4 工作介質(zhì)密度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(B類評(píng)定)

3.2.5 焓值h焓值計(jì)算引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(B類評(píng)定)

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

熱量測(cè)量裝置瞬時(shí)熱量校準(zhǔn)的相對(duì)合成不確定度計(jì)算公式見式(6)，計(jì)算結(jié)果見表1。

3.4 相對(duì)擴(kuò)展不確定度

熱量測(cè)量裝置瞬時(shí)熱量，其相對(duì)擴(kuò)展不確定度表示為

4 測(cè)量不確定度報(bào)告

被校準(zhǔn)熱量測(cè)量裝置的熱量校準(zhǔn)結(jié)果及其相對(duì)擴(kuò)展不確定度表述見表2。

表2 熱量校準(zhǔn)結(jié)果及其相對(duì)擴(kuò)展不確定度