李 峰，何倫志，塔依爾·斯拉甫力，王順利

（1.新疆大學，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆計量測試研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

能源計量中容量量值傳遞技術研究

李 峰1，2，何倫志1，塔依爾·斯拉甫力2，王順利2

（1.新疆大學，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆計量測試研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

為解決新疆石油勘探、開采、數(shù)據(jù)分析到貿(mào)易結算所有環(huán)節(jié)容量量值的準確與統(tǒng)一，提出容量量值溯源技術的研究。標準金屬量器在能源計量中起著重要的量值傳遞作用，該文以金屬量器容量檢定為研究對象，在現(xiàn)有檢定方法和理論計算的基礎上，利用計算機控制及數(shù)據(jù)采集、處理技術，開發(fā)出三等金屬量器容量檢定裝置。經(jīng)過容量量傳體系的理論分析，結合容量衡量法與容量比較法，實現(xiàn)對三等金屬量器容量的檢定，該方法操作方便，過程簡單，具有準確度高、重復性好的優(yōu)點。

容量計量；容量衡量法；容量比較法；三等金屬量器

0 引 言

石油貿(mào)易已經(jīng)成為新疆與中亞國際貿(mào)易中最重要的組成部分，容量計量作為石油貿(mào)易結算中最為核心的技術指標之一，其數(shù)據(jù)的準確度對油品靜態(tài)計量的公平公正有著重要意義[1-2]。

標準金屬量器（一等、二等和三等）的社會效益主要體現(xiàn)為它是作為中容量[3]量值傳遞的標準設備，標稱容積量值的準確性與企業(yè)石油貿(mào)易結算的額度值有著密切的關系。

目前國內(nèi)各省計量院、計量站及法定容量計量授權機構對三等金屬量器標稱容積的檢定，方法大致雷同，都是借助自來水壓力注水，采用容量比較法則，通過人工干涉讀數(shù)，最終完成標稱容積的檢定工作。這種方法存在的主要問題就是隨著大批量的待檢金屬量器量數(shù)目增加，操作過程繁瑣、工作難度增加、勞動強度變大。由于讀取數(shù)據(jù)和控制頁面需要檢定員人工干預，檢定實驗的可控性差，測量數(shù)據(jù)精度不高。由于采用的設備低端落后，檢定方法滯后，實驗數(shù)據(jù)的保存方式混亂，數(shù)據(jù)處理錯誤率高，盡管配置了水箱，但并沒有介質(zhì)過濾和循環(huán)結構，導致實驗使用的水介質(zhì)直接排放至公共下水通道。因為三等金屬量器多以標準設備使用，除了科學實驗研究，很少以工作計量器具使用，無法實現(xiàn)高效、準確的動態(tài)計量。三等金屬量器作為標準器使用，其數(shù)量的增長速度遠不及容量或者流量動態(tài)計量的儀表——流量計，并且量值傳遞技術服務費用與付出的勞動量遠遠不成比例，所以中容量量值傳遞體系研究工作處于緩慢狀態(tài)。

文章通過容量比較與容量衡量[4-5]兩種法則的綜合使用，完成對三等金屬量器的快速、準確檢定、提高量傳工作的自動化程度，減小勞動強度的同時，節(jié)約量傳的經(jīng)濟成本，保障油品靜態(tài)計量中容量量值數(shù)據(jù)的可靠性和準確性。

1 標準裝置結構設計

三等金屬量器[6-7]容量檢定裝置主要由5大體系組成，分別為標準器、測量設備、輔助設備、控制單元、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理部分。

標準器由1套二等標準金屬量器組、2臺電子天平及一等標準密度計組組成，同時配備單刻線容量瓶。輔助設備包含針對介質(zhì)和大氣的溫度與壓力測量儀器。輔助設備由檢定實驗平臺、水箱、管路及扶梯組成?？刂茊卧娫?、指示與控制按鈕、開關量輸出及模擬量輸入模塊。數(shù)據(jù)采集及處理部分主要包括下位機控制系統(tǒng)和上位機VB數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理程序。

文章研究的三等金屬量器容量檢定裝置總體思路就是以二等標準金屬量組、高精度電子天平和一等玻璃密度計組為主標準器，通過上、下位機的聯(lián)合控制和數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)三等金屬量器容量量傳的自動化。

三等金屬量器容量檢定裝置如圖1所示，該標準裝置主要包括容量衡量法檢定系統(tǒng)和容量比較法檢定系統(tǒng)[8-9]，實施對金屬量器容量量值的準確傳遞。

圖1 三等金屬量器容量量傳標準裝置

1.1 容量比較法量傳系統(tǒng)

三等金屬量器容量比較法檢定系統(tǒng)的主標準模塊是標準金屬量器組，工作原理如圖2所示。

需要說明的是，三等金屬量器通過容量比較法實現(xiàn)標稱容積的量值溯源，最直觀的方法就是通過二等金屬量器按照比值為1∶1的比較法則方法。但是，通常由于工作量器的標稱容積很大，二等標準量器的標稱容積很小，無法實現(xiàn)1∶1的比較法則，就需要采用將二等金屬量器的組合量值與被檢金屬量器的量值進行比較檢定，為了最終數(shù)據(jù)的可控和準確性，容量比值不應大于1∶10。項目研究結果快速、準確實施對容量范圍為5～2000 L的三等工作金屬量器進行量值傳遞工作。

圖2 容量比較法原理圖

檢定時，通過循環(huán)泵和管路向二等標準金屬量器（或量器組合）內(nèi)注水，直至標稱容積刻度，待液面穩(wěn)定后，測量容器內(nèi)介質(zhì)溫度；將標準金屬量器內(nèi)的介質(zhì)排出至金屬量器，排空，關閉閥門，讀取液位刻度值，測量溫度；計量頸部分度檢定；修正計算后得出金屬量器標稱容積對應的液位刻度值，根據(jù)規(guī)程要求給出檢定結果和結論。

1.2 容量衡量法量傳系統(tǒng)

容量衡量法[10]通過密度測量，實現(xiàn)質(zhì)量與體積的換算，三等金屬量器的質(zhì)量為ML，體積為VL，檢定介質(zhì)的質(zhì)量為Mw，體積為Vw，密度為ρw，實驗室空氣密度為ρa，檢定介質(zhì)的表觀質(zhì)量為M（由標準砝碼質(zhì)量、補加小砝碼和天平平衡位置計算），其平衡方程為

由式（2）～式（4）得：

式中ρB為標準砝碼材料密度，Vw為量器內(nèi)容納檢定介質(zhì)（本章中檢定介質(zhì)為水）的體積，即T℃時的量器容積，即VT=Vw。

容量衡量法的工作原理就是通過測量水的質(zhì)量、密度、溫度及液位刻度，然后計算出標稱體積。測量所使用主標準器為高精度電子天平和一等玻璃密度計，主要輔助設備為溫度傳感器、濕度傳感器、單刻度容量瓶、容量瓶，主要配套設備為循環(huán)式移動水箱、注水平臺及上下位機控制器。

金屬量器容量衡量法檢定系統(tǒng)重點由工控機、PLC數(shù)據(jù)采集器、主標準器（電子天平和一等玻璃密度計）、主工作臺、移動分離式循環(huán)水箱、注水管路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集儀器儀表組成，總體布局方案如圖3所示。

根據(jù)容量與溫度的關系，相同量器，溫度不同，容積也不同。溫度升高，量器容積增大；溫度降低，量器容積減小，所以只有在確定的溫度下，測量金屬量器的標稱容積值才有意義。三等金屬量器受溫度變化而產(chǎn)生熱脹冷縮的現(xiàn)象，最終影響容積的變化量，在量傳和實際貿(mào)易結算實驗中必須考慮修正因子。

圖3 容量衡量法總體布局方案

0℃時金屬量器的容積為V0，體膨脹系數(shù)為β，則T℃時的容積VT為

如果溫度由T1變化到T2，金屬量器容積將由V1變化到V2，忽略β的高次微分項，則：

溫度變化，則金屬量器容積量值就會變化，如式（7）所示。為統(tǒng)一被檢金屬量器的容積值，必須確定金屬量器的標準溫度。

假設 V1=V20，T1=20℃，則：

標準裝置技術指標為：在測量范圍1～2000L容量計量范圍下，其準確度等級≤0.05%。

1.3 容量量傳體系所涉及的關鍵技術

三等金屬量器在實際使用時，很少計量純潔度很高的介質(zhì)容積，而是貿(mào)易結算中的各類性質(zhì)的油品，介質(zhì)的污染程度很嚴重。由于三等金屬量器常用于油品貿(mào)易計算和流量器具的檢定，所以針對它的檢定，要頻繁使用文章研究的三等金屬量器容量檢定裝置，實際檢定（或校準）過程中對水箱的污染很嚴重，所以文章考慮將主體容積檢定和頸部分度容積檢定的循環(huán)水箱分開設計。

移動式循環(huán)隔離水箱如圖4所示，頸部分度容量標定的介質(zhì)水保留在整體水箱的上端，不需循環(huán)，所占體積約為主體循環(huán)水箱容積的1/4～1/3，主體容積檢定水箱位于其下面，配備隔離柵，通過循環(huán)泵，反復使用，直至實驗結束。

圖4 移動式循環(huán)隔離水箱

當水的表觀質(zhì)量接近被檢金屬量器的標稱容積值時，液面上升速率很快，如果控制部分出現(xiàn)計算錯誤，水泵開關量不變化，繼續(xù)注水，將造成液面高于金屬量器的整體高度，檢定介質(zhì)（水）外溢，實驗失敗。

為解決此問題，采用容量衡量法實驗時，上位機控制軟件需要設定注入介質(zhì)的預計值，預計值的數(shù)值小于被檢定金屬量器標稱值。因為水的密度接近1000kg/m3，預設值由大量重復實驗得到，供日常檢定查表使用。

預計值的引入，使得電子天平的表觀量值達到預設值時，下位機控制器發(fā)出指令，控制水泵的數(shù)字開關量變化，電磁閥斷電，水泵停止工作，依靠水流上沖的加速度，電子秤賦值的表觀質(zhì)量接近標稱質(zhì)量，液面達到理想位置。

表1 三等金屬量器容量衡量法受控實驗數(shù)據(jù)

2 實驗數(shù)據(jù)分析

三等金屬量器容量檢定裝置是工作量器容量的重要量值溯源標準。通過日常實驗，記錄數(shù)據(jù)，制作控制圖[11]，有效地保障了測量過程的穩(wěn)定性和可靠度，該數(shù)據(jù)是判斷三等金屬量器標準裝置是否處于受控狀態(tài)的技術文件。

實驗分析采用平均值-極差控制圖[12]記錄三等金屬量器容量檢定裝置的量值傳遞過程，判斷計量過程是否受到無法控制的隨機效應的影響，數(shù)據(jù)如表1所示。由實驗數(shù)據(jù)得到的平均值及極差控制圖如圖5、圖6所示。

圖5 平均值控制圖

圖6 極差控制圖

依據(jù)各項準則，對圖5、圖6中各檢測點的分布狀態(tài)進行評判，可知三等金屬量器容量檢定裝置量值傳遞過程未出現(xiàn)異常，沒有受到不受控的系統(tǒng)效應和不受控的隨機效應的影響，達到社會公用計量標準容量量值傳遞中三等金屬量器最大允許誤差為±（0.5～1）×10-3L 的技術指標要求。

3 結束語

本文在現(xiàn)階段國內(nèi)外容量計量量值傳遞技術研究的基礎上，結合中容量計量的特點，建立的三等金屬量器容量檢定裝置主要解決了檢定介質(zhì)循環(huán)使用、標稱容積與頸部分度標定介質(zhì)的隔離、衡量法與比較法的精密結合等問題。

三等金屬量器容量檢定裝置的建立，很好地解決了新疆區(qū)域能源計量中容量量值傳遞的技術難題。實驗數(shù)據(jù)證明，在同等檢定和校準條件下，三等金屬量器容量檢定裝置系列指標能夠公平、公正地為社會提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)檢測服務。

值得后續(xù)繼續(xù)研究的問題是，標準金屬量器作為最基本的容量標準器，無法使用穩(wěn)定的核查標準進行期間核查，但是可以利用平均值-極差控制圖定期實驗，觀測測量值的平均值、極差變化情況，以此來判斷標準金屬量器容量檢定裝置的測量過程是否處于統(tǒng)計控制狀態(tài)。連續(xù)不斷的實驗數(shù)據(jù)能保證標準裝置的正常量值傳遞工作。但針對標準容積超過1000L的金屬量器，由于受到空間和體積的限制，這項工作較為困難，尤其1000L與2000L標準器是現(xiàn)場量傳工作使用頻率最多的設備，核查實驗尤為重要。

[1]標準金屬量器檢定規(guī)程：JJG 259-2005[S].北京：中國計量出版社，2005.

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（編輯：李妮）

The research on volume value transfer technology in energy metrology

LI Feng1，2， HE Lunzhi1， TARYER Slafuli2， WANG Shunli2
（1.Xinjiang University，Urumqi 830046，China；2.Xinjiang Institute of Measurement&Testing Technology，Urumqi 830011，China）

In order to solve the accuracy and unification of the volume value in all the links in the exploration， mining ，data analysis and business settlement as well in Xinjiang oilfield， the paper put forward the research on the traceability of the capacity value and standard metal tank plays an important role in the value transfer in energy measurement，taking calibration in metal tank volume as the research object， based on existing verification methods and theoritical calculation， with the help of computer control system， data acquisition and processing technology，the third-class metal-tank volume verification device was developed.Through theoretical analysis in capacity value transfer， combined with volume-weighing method and volume-comparison method，the verification of the three metal tank volume was carried out.Experiment results show that the method is easy in operation and simple in process with high accuracy and good repeatability.

volume measurement;volume-weighing method;volume-comparison method；third-class metal-tank

A

1674-5124（2017）06-0022-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.06.005

2017-01-18；

2017-03-02

國家質(zhì)檢總局科技計劃項目（2012QK304）

李 峰（1975-），男，山東青島市人，教授級高工，博士研究生，研究方向為資源與環(huán)境經(jīng)濟學、能源計量、產(chǎn)業(yè)計量。