（浙江省計量科學(xué)研究院 國家液體流量計量器具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018）

水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是流量單位量值統(tǒng)一與傳遞的標(biāo)準(zhǔn)，主要用于檢測、校準(zhǔn)和檢定流量儀表的準(zhǔn)確度、重復(fù)性、線性度等流量參數(shù)，是研究和應(yīng)用流量計量和測試技術(shù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。通常情況下，實(shí)驗(yàn)室使用的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置有多套，多套間的規(guī)格口徑及量范圍相互銜接。為了保證多套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在相鄰2次檢定或校準(zhǔn)期間使用的置信度，非常有必要對多套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行裝置間比對，以保證水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在測量過程中處于受控狀態(tài)，確保檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的質(zhì)量[1-2]。

比對是按照預(yù)先規(guī)定的條件，對相同或類似的測量對象進(jìn)行檢測和評價，從而確定測量對象間存在的差異，判斷測量對象的一致性。水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置比對一般是在參比條件下，采用性能穩(wěn)定的流量計對多套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置傳遞的量值進(jìn)行測量，確定多套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置量值傳遞的一致性[3]。由于水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度較高，因此比對時選用的流量計必須具有較高的準(zhǔn)確度、測量重復(fù)性和穩(wěn)定性，以保證比對結(jié)果的可靠性。

渦輪流量傳感器是一種速度式流量測量儀表，具有重復(fù)性好、穩(wěn)定性高、放大電路漂移較小等優(yōu)點(diǎn)，因此在液體流量測量中得到了廣泛應(yīng)用及研究[4-7]。

本文將以渦輪流量傳感器作為量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)，對規(guī)格口徑為DN50～DN100和DN125～DN400的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部比對。并對渦輪流量傳感器作為量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行裝置比對進(jìn)行研究，提出了渦輪流量傳感器加裝前后直管段的整體平移式安裝方法，基于該方法進(jìn)行了儀表系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)，取得了較好的測量結(jié)果，同時根據(jù)比對控制模型驗(yàn)證水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置量值的一致性及量值傳遞的可靠性。

1 理論依據(jù)

1.1 渦輪流量傳感器儀表系數(shù)模型

渦輪流量傳感器一般由流量傳感器和放大器兩部分組成。當(dāng)流體以一定的流量流過渦輪流量傳感器時，流量傳感器中的渦輪葉片在水流作用下旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)速度與流過流量傳感器的流量大小成正比。渦輪葉片旋轉(zhuǎn)頻率信號通過磁電耦合傳遞給放大器，經(jīng)由放大器放大后即可得到渦輪流量傳感器的流量測量頻率信號，故有：

式中：f為測量得到的渦輪流量傳感器頻率；k為渦輪流量傳感器儀表系數(shù)；q為渦輪流量傳感器的流量。由式（1）可以得到渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)為

一般情況下，渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)由水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)定得到。而實(shí)際利用水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（裝置與渦輪流量傳感器獨(dú)立計時計頻）標(biāo)定時，得到的是時間段t1內(nèi)的渦輪流量傳感器頻率輸出的累積脈沖數(shù)N和時間段t2內(nèi)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的累積流量V，所以有：

式中：N為渦輪流量傳感器在時間t1內(nèi)的累積脈沖數(shù)；t1為標(biāo)定渦輪流量傳感器時的脈沖累積時間；V為水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在時間t2內(nèi)的累積流量；t2為水流標(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)定渦輪流量傳感器時的累積時間。

由式（3）和式（4）可以得到：

將式（5）和式（6）代入式（2）可得到：

式（7）為利用水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)定渦輪流量傳感器時儀表系數(shù)模型。

1.2 重復(fù)性計算模型

在某一流量點(diǎn)下，由水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置重復(fù)測量得到的渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)分別為k1，k2，k3，…，kn，則該流量點(diǎn)下渦輪流量傳感器的平均儀表系數(shù)為

結(jié)合式（8），可以得到渦輪流量傳感器在上述流量點(diǎn)下的儀表系數(shù)測量重復(fù)性為

式中：δ為渦輪流量傳感器在某一流量點(diǎn)下儀表系數(shù)的測量重復(fù)性。

1.3 比對控制模型

采用渦輪流量傳感器作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)對水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行比對時，通常是利用參與比對的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在相同的流量點(diǎn)下重復(fù)測量（測量次數(shù)不少于6次）得到渦輪流量傳感器的平均儀表系數(shù)kˉ1和kˉ2，然后建立儀表系數(shù)與裝置不確定度之間的控制模型，根據(jù)控制模型判斷水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的置信度。 根據(jù)在不同裝置上得到的儀表系數(shù)和，可以得到：

令：

式中：En為比對控制數(shù)值，無量綱，如果En≤1，則表示比對結(jié)果符合要求，如果En＞1，則表示比對結(jié)果不符合要求，應(yīng)及時解決出現(xiàn)該結(jié)果的問題；U1為參與比對的其中一套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度；U2為參與比對的另一套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度。

2 傳遞標(biāo)準(zhǔn)的安裝設(shè)計

利用渦輪流量傳感器對水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行比對時，作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)的渦輪流量傳感器需要在參與比對的不同的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上分別進(jìn)行安裝，然后利用水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對其進(jìn)行儀表系數(shù)測量。如果將渦輪流量傳感器在參與比對的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上直接安裝，則無法保證安裝的重復(fù)性，給比對測量實(shí)驗(yàn)帶來較大誤差，無法較好地保證裝置比對結(jié)果。

為保證渦輪流量傳感器在不同水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上安裝的重復(fù)性，消除安裝帶來的誤差，本文提出渦輪流量傳感器加裝前后直管段的整體平移式安裝方法。首先將渦輪流量傳感器固定在同口徑的兩段直管段中間，其中固定在渦輪流量傳感器進(jìn)水端的直管段（簡稱前直管段）長度不小于10 D（D為直管段內(nèi)徑），固定在渦輪流量傳感器出水端的直管段（簡稱后直管段）長度不小于5 D；然后，將渦輪流量傳感器連同前、后直管段作為一個整體安裝在參與比對的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上。

3 實(shí)驗(yàn)裝置及條件

參與比對實(shí)驗(yàn)的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置如圖1所示，主要由動力設(shè)備、水源穩(wěn)壓設(shè)備、前直管段、實(shí)驗(yàn)段、后直管段、背壓管段、開式換向器及工作量器八部分組成。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為水，實(shí)驗(yàn)中水由水泵導(dǎo)入水源穩(wěn)壓裝置，經(jīng)過穩(wěn)壓裝置穩(wěn)定后經(jīng)過一個足夠長的直管段，然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，再經(jīng)過一個足夠長的后直管段及背壓管段，最后通過雙分流器開式換向器進(jìn)入工作量器。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Structure diagram of the experiment system

比對實(shí)驗(yàn)采用的渦輪流量傳感器口徑為DN100，準(zhǔn)確度等級為0.5級；實(shí)驗(yàn)的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置規(guī)格口徑為DN50～DN100和DN125～DN400，擴(kuò)展不確定度均為0.05%；實(shí)驗(yàn)的流量范圍為25～160 m3/h；穩(wěn)壓容器壓力為0.3 MPa；水的密度為998 kg/m3；實(shí)驗(yàn)介質(zhì)溫度為常溫。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先將渦輪流量傳感器連同前、后直管段作為一個整體安裝在規(guī)格口徑為DN50～DN100的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上， 并在 25 m3/h、32 m3/h、64 m3/h、160 m3/h 4個流量點(diǎn)下進(jìn)行儀表系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)，每個流量點(diǎn)下的儀表系數(shù)重復(fù)測量6次；其次將渦輪流量傳感器連同前、后直管段作為一個整體安裝在規(guī)格口徑為DN125～DN400的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上，在相同的測量條件下，對渦輪流量傳感器進(jìn)行儀表系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)；第三根據(jù)上述2套裝置上實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，結(jié)合儀表系數(shù)計算模型、重復(fù)性計算公式及比對控制模型可以得到各對應(yīng)流量點(diǎn)下的單次儀表系數(shù)、單點(diǎn)儀表系數(shù)、單點(diǎn)重復(fù)性和比對控制數(shù)值（無量綱）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 渦輪流量傳感器儀表系數(shù)Fig.2 Instrument coefficient of turbine flowmeter

圖3 渦輪流量傳感器重復(fù)性Fig.3 Repeatability of turbine flowmeter

圖4 En控制值Fig.4 Value of En

由圖2～圖4可以看出：

1） 由規(guī)格口徑為 DN50～DN100和 DN125～DN400的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測量得到的渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)在相對應(yīng)的流量點(diǎn)下，具有相同的變化趨勢，說明渦輪流量傳感器具有高的穩(wěn)定性；另外2套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上測量得到的渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)在相同的流量點(diǎn)上大小基本一致，說明2套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置具有較小的臺位差。

2） 在規(guī)格口徑為 DN50～DN100和 DN125～DN400的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上測量得到的渦輪流量傳感器的各流量點(diǎn)的儀表系數(shù)測量重復(fù)性均比較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.5級渦輪流量傳感器要求的測量重復(fù)性 （0.5級渦輪流量傳感器儀表系數(shù)的測量重復(fù)性要求為小于最大允許誤差絕對值的1/3，即0.17%），說明渦輪流量傳感器具有較好的重復(fù)性。

3）由渦輪流量傳感器作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)得到的規(guī)格口徑為DN50～DN100和DN125～DN400的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置比對控制值En均小于1，比對結(jié)果符合要求，2套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置保持了較高的量值傳遞一致性；對比控制值En隨流量的增大而減小，說明流量越小，由不同水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測量得到的渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)相差越大，因此利用渦輪流量傳感器進(jìn)行裝置比對時，最好在渦輪量傳感器的中高流量點(diǎn)上進(jìn)行，這樣得到的比對結(jié)果將會更可靠。

4）上述渦輪流量傳感器的測量結(jié)果及裝置的比對結(jié)果，進(jìn)一步證明了渦輪流量傳感器具有很好的穩(wěn)定性、測量重復(fù)性，可以作為量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行比對。

5 結(jié)語

本文在給出渦輪流量傳感器儀表系數(shù)模型、重復(fù)性計算模型及比對控制模型的基礎(chǔ)上，提出了裝置比對中對渦輪流量傳感器加裝前后直管段的整體平移式安裝方法。采用準(zhǔn)確度等級為0.5級的渦輪流量傳感器對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部2套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行了比對研究，取得了較好的比對研究結(jié)果。

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