楊長(zhǎng)星/思達(dá)斯易集團(tuán)上海思達(dá)斯易儀器儀表有限公司

0 引言

隨著我國(guó)天然氣管網(wǎng)的完善和天然氣價(jià)格機(jī)制改革的不斷推進(jìn)，天然氣消費(fèi)將繼續(xù)增加。預(yù)測(cè)到2030年，我國(guó)天然氣需求量為5 000億至6 000億立方米，對(duì)流量測(cè)量的準(zhǔn)確度及測(cè)量范圍的要求越來(lái)越高，因此對(duì)氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置也提出了更高的要求。標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[1]是檢定氣體流量計(jì)的常用裝置，由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，工作效率高，因此深受用戶的歡迎。目前荷蘭FMG公司研制出的一種緊湊型標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（以下簡(jiǎn)稱測(cè)試臺(tái)），已在本單位（簡(jiǎn)稱公司）得到成功應(yīng)用。

1 裝置概述

測(cè)試臺(tái)是以減少占用空間、提高標(biāo)定效率、降低能耗、提供高準(zhǔn)確度的標(biāo)定服務(wù)為總體設(shè)計(jì)思路。圖1為測(cè)試臺(tái)整體外觀，可以看出測(cè)試臺(tái)結(jié)構(gòu)非常緊湊，占用空間非常少，在一個(gè)辦公桌大小的裝置上就能對(duì)DN150以下口徑的氣體流量計(jì)（準(zhǔn)確度等級(jí)0.5級(jí)及以上）進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)。

硬件方面，測(cè)試臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表選用特殊設(shè)計(jì)的專門應(yīng)用在測(cè)試裝置和移動(dòng)基準(zhǔn)的優(yōu)化型雙轉(zhuǎn)子腰輪流量計(jì)。這類流量計(jì)重復(fù)性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性非常優(yōu)良，幾乎沒(méi)有脈動(dòng)流影響。測(cè)試臺(tái)配置的標(biāo)準(zhǔn)表分別是四個(gè)獨(dú)立的核查表，任意一臺(tái)或多臺(tái)可對(duì)其他的標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行相互核查。這樣對(duì)標(biāo)定的準(zhǔn)確度更有保證，并在使用中得到了驗(yàn)證。測(cè)試臺(tái)裝備有高品質(zhì)傳感器，以及全自動(dòng)、智能化控制系統(tǒng)，能減少熱膨脹效應(yīng)。通過(guò)采用內(nèi)置時(shí)鐘的多通道數(shù)字分析模塊，它可以高精度地采樣和收集相關(guān)數(shù)據(jù)。流量的調(diào)節(jié)是通過(guò)變頻風(fēng)機(jī)結(jié)合風(fēng)量調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)的，可以在量程范圍內(nèi)快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)到所需流量，使得標(biāo)定工作效率大大提高。

圖1 測(cè)試臺(tái)整體外觀

軟件方面，通過(guò)智能設(shè)計(jì)、自診斷功能及采用高質(zhì)量的軟件，保證了其維修維護(hù)量在最小范圍。采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可遠(yuǎn)程操作，輕松得到來(lái)自FMG的技術(shù)服務(wù)與支持。計(jì)算機(jī)操作界面提供通俗易懂的菜單結(jié)構(gòu)及完整的系統(tǒng)流程畫面。強(qiáng)大的軟件功能使得在標(biāo)定不同類型的流量計(jì)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)，自動(dòng)完成整個(gè)標(biāo)定過(guò)程，所有必要的數(shù)據(jù)均可在測(cè)試過(guò)程中顯示可見(jiàn)。密碼保護(hù)與用戶分級(jí)管理功能提供重要數(shù)據(jù)和設(shè)置的安全保護(hù)。

2 裝置組成和原理

測(cè)試臺(tái)主要硬件設(shè)備有標(biāo)準(zhǔn)表、壓力變送器和溫度變送器、閥門、風(fēng)機(jī)、連接管路。整個(gè)裝置的系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 裝置的系統(tǒng)流程圖

測(cè)試臺(tái)控制系統(tǒng)如圖3所示。控制系統(tǒng)采用BK9000總線耦合器，以KL2408、KL3222、KL3454、KL4004和KL9010為擴(kuò)展模塊的數(shù)字信號(hào)總線系統(tǒng)為下位控制器，Testbench為上位機(jī)監(jiān)控軟件。測(cè)試臺(tái)可以對(duì)多種氣體流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，傳感器模塊可同時(shí)采集被檢表的4個(gè)脈沖信號(hào)，所有組件使用相同的參考點(diǎn)，這樣對(duì)各信號(hào)的采集處理更準(zhǔn)確迅速。最大化節(jié)約空間，操作靈活簡(jiǎn)便。

圖3 裝置控制系統(tǒng)圖

測(cè)試臺(tái)以空氣為氣源的負(fù)壓法標(biāo)準(zhǔn)裝置，被檢流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)表以及風(fēng)機(jī)由管路及閥門連接起來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)表為三臺(tái)氣體腰輪流量計(jì)，根據(jù)設(shè)定的流量大小自動(dòng)選擇一臺(tái)或多臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表組合。當(dāng)設(shè)定流量穩(wěn)定后，控制系統(tǒng)同時(shí)開(kāi)始接收標(biāo)準(zhǔn)表和被檢流量計(jì)的信號(hào)，并測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)表和被檢流量計(jì)處的溫度和壓力。到結(jié)束測(cè)試時(shí)，同時(shí)停止接收標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的信號(hào)。控制系統(tǒng)把標(biāo)準(zhǔn)表的體積量換算為被檢表的溫度和壓力狀況下的體積量，最終得出被檢流量計(jì)的計(jì)量性能。

3 不確定度分析

由測(cè)試臺(tái)的組成和原理可以看出，整套裝置的合成不確定度主要包括[2-3]：檢定標(biāo)準(zhǔn)表裝置不確定度、標(biāo)準(zhǔn)表的不確定度、標(biāo)準(zhǔn)表處溫度和壓力測(cè)量的不確定度、被檢流量計(jì)處溫度和壓力的不確定度、裝置計(jì)時(shí)器的不確定度。表1為整套裝置測(cè)量不確定度一覽表。

表1 測(cè)試臺(tái)整套裝置測(cè)量不確定度一覽表

3.1 檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度

檢定標(biāo)準(zhǔn)表用的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度Urel= 0.16%，包含因子k= 2，則檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(Vs) = 0.08%。

3.2 擬合曲線引起的不確定度

測(cè)試臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)表為氣體腰輪流量計(jì)，非定點(diǎn)使用，不使用儀表系數(shù)。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行二次曲線擬合，流量 - 誤差系數(shù)表達(dá)式為：eK=aq-2+bq-1+c+dq+eq2。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)試n個(gè)點(diǎn)，第i個(gè)測(cè)試點(diǎn)的流量示值是qi，示值誤差是ei，vi=ei-eKi。擬合曲線引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度按式（1）計(jì)算得到ur(e) = 0.10%。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)表儀表系數(shù)重復(fù)性的不確定度

標(biāo)準(zhǔn)表儀表系數(shù)定點(diǎn)測(cè)量的重復(fù)性的不確定度ur(K)取各流量點(diǎn)儀表系數(shù)的不確定度中最大值。測(cè)試臺(tái)三臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表經(jīng)溯源，校準(zhǔn)證書中各流量點(diǎn)重復(fù)性最大值為0.02%，則標(biāo)準(zhǔn)表儀表系數(shù)重復(fù)性的不確定度ur(K) = 0.02%。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)表處溫度測(cè)量不確定度

測(cè)試臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表處溫度測(cè)量使用的溫度變送器最大允許誤差為±0.15 ℃，按均勻分布，氣體溫度為20 ℃，則標(biāo)準(zhǔn)表處溫度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

3.5 被檢流量計(jì)處溫度測(cè)量不確定度

測(cè)試臺(tái)被檢流量計(jì)處溫度測(cè)量使用的溫度變送器最大允許誤差為±0.15 ℃，按均勻分布，氣體溫度為20 ℃，則標(biāo)準(zhǔn)表處溫度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

3.6 標(biāo)準(zhǔn)表處壓力測(cè)量不確定度

測(cè)試臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表處壓力測(cè)量使用的壓力變送器最大允許誤差為±0.1%，按均勻分布，則標(biāo)準(zhǔn)表處壓力測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

3.7 被檢流量計(jì)處壓力測(cè)量不確定度

測(cè)試臺(tái)被檢流量計(jì)處壓力測(cè)量使用的壓力變送器最大允許誤差為±0.1%，按均勻分布，則被檢流量計(jì)處壓力測(cè)量的不確定度為

3.8 計(jì)時(shí)器不確定度

測(cè)試臺(tái)的計(jì)時(shí)器經(jīng)溯源，30 s時(shí)間間隔的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 時(shí)間間隔測(cè)試數(shù)據(jù)

第i次差值按式（2）計(jì)算

平均差值按式（3）計(jì)算

A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

計(jì)時(shí)器標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

3.9 裝置合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

裝置的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4 測(cè)量結(jié)果的驗(yàn)證[4-5]

測(cè)量結(jié)果的驗(yàn)證采用比對(duì)法驗(yàn)證，選取一臺(tái)FMG生產(chǎn)的氣體渦輪流量計(jì)作為比對(duì)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量范圍為80～1 600 m3/h，準(zhǔn)確度等級(jí)為1級(jí)。參與比對(duì)實(shí)驗(yàn)室的裝置分別為：公司的測(cè)試臺(tái)，測(cè)量范圍為0.4～1 600 m3/h，裝置標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel=0.32%（k= 2）；lab1的臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，測(cè)量范圍為2～4 500 m3/h，裝置不確定度Urel= 0.16%（k= 2）；lab2的臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，測(cè)量范圍為1～7 000 m3/h，裝置擴(kuò)展不確定度Urel= 0.29%（k= 2）。lab1和lab2均為國(guó)家法定技術(shù)機(jī)構(gòu)。傳遞標(biāo)準(zhǔn)流轉(zhuǎn)路徑依次為公司、lab1、lab2、公司。三個(gè)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 測(cè)量結(jié)果匯總表

5 結(jié)語(yǔ)

雖然測(cè)試臺(tái)的占用空間變小了，但其各項(xiàng)性能依然能夠滿足測(cè)試需求。測(cè)試臺(tái)上所有主標(biāo)準(zhǔn)器、配套設(shè)備以及整套裝置都經(jīng)過(guò)國(guó)家法定技術(shù)機(jī)構(gòu)溯源，溯源結(jié)果達(dá)到測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)分析測(cè)試臺(tái)整套裝置的不確定度和對(duì)測(cè)量結(jié)果的驗(yàn)證，證明測(cè)試臺(tái)可用于膜式燃?xì)獗怼怏w腰輪流量計(jì)、氣體渦輪流量計(jì)和氣體超聲流量計(jì)的檢定或校準(zhǔn)。公司在日常檢定或校準(zhǔn)工作中通過(guò)與臨界流噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置比較發(fā)現(xiàn)，測(cè)試臺(tái)的優(yōu)勢(shì)在于流量穩(wěn)定時(shí)間短，檢定或校準(zhǔn)效率可提高30%以上，并且能耗也大大降低。