茍宇璇

（山丹縣市場(chǎng)監(jiān)督管理局 甘肅張掖 734100）

1 前言

流量積算儀是市場(chǎng)監(jiān)督管理部門日常工作的重要儀器，通過(guò)對(duì)各類產(chǎn)品的含量數(shù)值進(jìn)行測(cè)定，將結(jié)果與規(guī)定范圍進(jìn)行對(duì)比分析，明確產(chǎn)品是否合格，發(fā)揮有效的市場(chǎng)監(jiān)督作用。然而，流量積算儀在使用過(guò)程中會(huì)受到各類因素的影響， 進(jìn)而對(duì)其準(zhǔn)確性造成影響。 因此，需要針對(duì)流量積算儀進(jìn)行校準(zhǔn)工作，在調(diào)試儀器時(shí)需根據(jù)不確定度來(lái)明確范圍， 儀器的應(yīng)用不確定度是校準(zhǔn)工作的重要參數(shù)支持。基于此，本文針對(duì)流量積算儀校準(zhǔn)工作進(jìn)行研究， 結(jié)合數(shù)字模型與不確定度分析結(jié)果， 對(duì)提升流量積算儀的應(yīng)用效率。

2 流量積算儀的基本原理

流量積算儀器在使用過(guò)程中， 需要對(duì)傳感器的流量變速情況進(jìn)行收集與分析，進(jìn)而對(duì)溫度、溫度信號(hào)以及壓力傳感器輸出相應(yīng)的補(bǔ)償信號(hào)。 同時(shí)計(jì)算機(jī)平臺(tái)會(huì)針對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與分析， 將測(cè)量情況轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)值形式， 使產(chǎn)品情況得到最直觀的呈現(xiàn)[1]。 通常情況下，流量積算儀輸出的信號(hào)分為流量傳感器輸出的脈沖信號(hào)以及差壓變送器輸出的模擬信號(hào)。 由于這2 類數(shù)據(jù)信號(hào)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)對(duì)數(shù)值造成一定的改變，從而形成流量積算儀的不確定度。因此， 在使用流量積算儀與校準(zhǔn)工作中都要參考不確定度[2]。

3 測(cè)量不確定度產(chǎn)生原因

3.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換

流量積算儀的測(cè)量裝置在與數(shù)據(jù)信號(hào)處理裝置進(jìn)行連接時(shí)，可以將產(chǎn)品情況轉(zhuǎn)換為各類數(shù)據(jù)，然而信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)對(duì)原始數(shù)據(jù)情況進(jìn)行改變， 造成數(shù)據(jù)與實(shí)際不相符的情況。 例如在信號(hào)模數(shù)的轉(zhuǎn)換工作中A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不同，進(jìn)而導(dǎo)致分辨率產(chǎn)生誤差，這樣會(huì)影響到各類信號(hào)數(shù)據(jù)的附加狀態(tài)，并且對(duì)計(jì)算機(jī)分析平臺(tái)造成不同程度的影響， 使流量積算儀的顯示結(jié)果存在誤差[3]。

3.2 補(bǔ)償運(yùn)算模型

流量積算儀在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)定時(shí)， 儀器的主要運(yùn)行模式為蒸汽密度與天然氣壓縮模式， 通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，將情況信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，由于不同數(shù)值的差異性特點(diǎn)， 相應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)也不同， 相同的是這2 種補(bǔ)償方式都是采用函數(shù)模式進(jìn)行計(jì)算，也就是 Z=f（x，y）。

上述函數(shù)公式中， 將x 與y 設(shè)定為流量積算儀測(cè)量過(guò)程中的變化量， 分別代表溫度數(shù)值與壓力輸入數(shù)值，也就是流量積算儀常用的查表法與函數(shù)法。

（1）查表法，首先要對(duì)儲(chǔ)存器中的密度表情況進(jìn)行固化處理，并且在固定時(shí)間段中對(duì)密度數(shù)值的變化情況進(jìn)行采集與分析，圍繞2 個(gè)固定時(shí)間點(diǎn)，采用插值法以平面方程的方式對(duì)結(jié)果進(jìn)行測(cè)定。但是由于實(shí)際密度表屬于曲面函數(shù)范疇，因此在進(jìn)行曲面與平面計(jì)算工作時(shí)，需要對(duì)相關(guān)的偏離值進(jìn)行確定[4]。

（2）函數(shù)法，該方式也是采用曲面函數(shù)形式來(lái)計(jì)算，由于蒸汽密度表是離散形式的，因此在對(duì)實(shí)際密度值進(jìn)行測(cè)定時(shí)，會(huì)被無(wú)規(guī)律的表格所影響，只能采用連續(xù)的數(shù)學(xué)模型或函數(shù)進(jìn)行模擬， 這樣在部分區(qū)域會(huì)存在點(diǎn)與面不符合的情況。也就是說(shuō)，采用函數(shù)法與查表法都會(huì)受到不確定數(shù)值的影響， 降低流量積算儀的應(yīng)用準(zhǔn)確性。

3.3 溫度漂移

流量積算儀在使用過(guò)程中， 對(duì)周圍環(huán)境的溫度也存在一定的要求， 這是由于元器件使用過(guò)程中會(huì)受到外在環(huán)境溫度的影響，例如將測(cè)定結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號(hào)， 需要放大數(shù)據(jù)對(duì)兩端的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有源處理，輸入輸出的關(guān)系隨著溫度的變化而造成測(cè)定數(shù)值的偏移情況，使流量積算儀在使用中產(chǎn)生不確定度。

3.4 元件偏離值

元器件除了自身受到外界環(huán)境因素的影響，其自身的應(yīng)用中也會(huì)產(chǎn)生偏離情況， 無(wú)論是多么精密的元器件， 在長(zhǎng)期使用后都會(huì)與原定的設(shè)計(jì)參數(shù)產(chǎn)生差異。同時(shí)，這種真值與元件之間的偏移量如果沒(méi)有得到及時(shí)校準(zhǔn)，將會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，從而嚴(yán)重影響到流量積算儀的使用效果。 其主要原因?yàn)檗D(zhuǎn)化電量值在傳輸過(guò)程中受到儀器元器件的影響， 電流與電壓方面都產(chǎn)生部分損耗， 有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生電流與電壓增加的現(xiàn)象，導(dǎo)致儀器測(cè)量的不確定度[5]。

3.5 采樣周期

流量積算儀在使用時(shí)， 針對(duì)產(chǎn)品信息采用階段采樣模式， 也就是根據(jù)采樣周期對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行反復(fù)測(cè)量，這樣可以對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行反復(fù)核對(duì)，以此來(lái)提升儀器顯示數(shù)值的準(zhǔn)確程度。但是，流量積算儀在使用過(guò)程中，采樣周期頻率會(huì)受到零部件老化的影響，從而導(dǎo)致重復(fù)測(cè)試周期降低， 而且零部件還會(huì)對(duì)高頻測(cè)試結(jié)果造成干擾影響， 最終導(dǎo)致采樣數(shù)值與實(shí)際情況存在極大的差異，也就是儀器的測(cè)量不確定度。因此，想要保證流量積算儀的應(yīng)用準(zhǔn)確性，需針對(duì)各類不確定的產(chǎn)生原因進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 明確各類因素的影響范圍，這樣才能為流量積算儀的校準(zhǔn)工作，提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)， 進(jìn)而保證市場(chǎng)監(jiān)督測(cè)量工作的順利開展。

4 流量積算儀校準(zhǔn)與測(cè)量不確定度分析

4.1 測(cè)量依據(jù)

本次測(cè)量實(shí)驗(yàn)的依據(jù)選擇為JJG1003-2016《流量積算儀檢定規(guī)程》，在測(cè)定實(shí)驗(yàn)前要對(duì)整體環(huán)境進(jìn)行調(diào)整， 具體參數(shù)如下： 將外界溫度控制為15～25℃， 將外界的相對(duì)濕度控制在45%～79%之間，保證交流電源的數(shù)值為（220±22）V，將運(yùn)行頻率的數(shù)值控制在（50±1）Hz。

結(jié)合流量積算儀的工作原理展開分析， 例如針對(duì)儀器的輸入輸出單元、中央處理裝置、顯示裝置以及操作按鈕構(gòu)成情況進(jìn)行深入分析， 并且在外界不同的壓力與溫度情況下， 對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的輸出質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定。 這樣可以將流量積算儀的顯示過(guò)程與傳感器的數(shù)據(jù)采集過(guò)程相結(jié)合， 并且采用相應(yīng)的函數(shù)模式對(duì)流量情況進(jìn)行計(jì)算。此外，流量積算儀的配套裝置也要對(duì)模擬信號(hào)的輸出環(huán)境進(jìn)行確定， 具體為流量變送器以及其他變送器的輸出情況， 需要針對(duì)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果中的累計(jì)流量與瞬時(shí)流量進(jìn)行整理分析，以此來(lái)明確流量積算儀的儲(chǔ)存、顯示以及傳送過(guò)程。

本次實(shí)驗(yàn)的具體測(cè)量方法為在規(guī)定的環(huán)境條件下，針對(duì)流體的壓力、溫度以及補(bǔ)償信號(hào)等數(shù)據(jù)情況進(jìn)行電流模擬源分析， 同時(shí)結(jié)合脈沖信號(hào)的變化結(jié)果對(duì)流量積算儀內(nèi)部的綜合影響參數(shù)進(jìn)行分析。 采用模型計(jì)算的方式來(lái)顯示實(shí)際情況與顯示數(shù)值之間的變化函數(shù)，以此來(lái)明確流量積算儀的測(cè)量誤差。選擇1 臺(tái)準(zhǔn)確度為0.5 級(jí)的流量積算儀作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)對(duì)其實(shí)際應(yīng)用數(shù)值進(jìn)行分析，以此來(lái)判定該積算儀的不確定度。

4.2 數(shù)字建模

體積流量與實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中的壓力與溫度數(shù)值存在直接聯(lián)系，可以根據(jù)理想氣態(tài)方程，針對(duì)流體的實(shí)際流量， 實(shí)際溫度以及壓力情況進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析，具體公式如下：

上述公式中，將Qv設(shè)定為流量積算儀的瞬時(shí)體積流量，將f 設(shè)定為信號(hào)頻率提供的相關(guān)信號(hào)，將TN設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下儀器的外部溫度情況，將PN設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)情況下儀器的外部氣壓情況，將Pa 設(shè)定為外在補(bǔ)償溫度數(shù)值， 將T 設(shè)定為外在補(bǔ)償壓力數(shù)值。根據(jù)公式可以看出， 當(dāng)流量積算儀的外部溫度情況與壓力情況產(chǎn)生變化時(shí)， 都會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)體積流量的變化，進(jìn)而造成儀器的測(cè)量不確定度。 反之，通過(guò)對(duì)儀器的變化情況進(jìn)行分析， 并且針對(duì)不同的溫度與其他條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就可以分析出不同外在環(huán)境下，流量積算儀產(chǎn)生的最大不確定度， 屆時(shí)針對(duì)模擬輸入的溫度與壓力情況進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析， 便可以對(duì)模擬電流與模擬電壓值進(jìn)行確定。

4.3 不確定度評(píng)定

在對(duì)流量積算儀的不確定度進(jìn)行評(píng)定時(shí)， 需要對(duì)儀器的渦輪流量數(shù)值進(jìn)行測(cè)定， 這樣可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)壓力數(shù)值與實(shí)際情況的偏差來(lái)核對(duì)不確定的范圍， 同時(shí)也要針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溫度數(shù)值與實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行判定。通過(guò)計(jì)算，可以得出瞬時(shí)標(biāo)準(zhǔn)體積流量的數(shù)值為995.74 m3/h。同時(shí)，在保證外在環(huán)境條件相同的情況下，還要針對(duì)流量積算儀的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行10 次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量，具體結(jié)果如表1 所示。

表1 流量積算儀顯示值重復(fù)性測(cè)量結(jié)果

針對(duì)流量積算儀顯示值的重復(fù)性情況進(jìn)行分析， 可以看出10 次測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果保持在996.27至999.40 m3/h 之間， 同時(shí)10 次測(cè)量的平均數(shù)值為997.69 m3/h。 10 次測(cè)量工作產(chǎn)生的數(shù)值結(jié)果分別為 997.90、996.27、997.52、998.65、998.70、997.31、999.40、997.14、996.59、997.43 m2/h。根據(jù)流量積算儀的輸入量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行分析， 并且采用相似的頻率信號(hào)進(jìn)行對(duì)比判定， 將分辨力設(shè)定為0.01Hz，按照均與分布的模式進(jìn)行排列，可以得到以下計(jì)算公式：

上述公式中， 主要將標(biāo)準(zhǔn)不確定度的影響因素劃分為溫度與壓力的影響， 通過(guò)對(duì)不同情況下數(shù)據(jù)情況進(jìn)行分析， 并且針對(duì)溫度信號(hào)與壓力信號(hào)進(jìn)行模擬分析，這樣可以將分辨力控制在0.01 mA，并且將不確定度的分布區(qū)間控制為0.005 mA 左右，最后針對(duì)流量積算儀分辨力進(jìn)行分析， 同樣將分布區(qū)間的寬度設(shè)定為0.005 m3/h，這樣可以得到計(jì)算公式：

4.4 不確定度計(jì)算

將流量積算儀的實(shí)際作業(yè)環(huán)境代入到相應(yīng)公式中，也就是對(duì)溫度情況、壓力情況，溫度補(bǔ)償系數(shù)以及壓力補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行匯總處理， 這樣可以對(duì)儀器的靈敏系數(shù)進(jìn)行判定， 以此計(jì)算出流量積算儀的標(biāo)準(zhǔn)不確定數(shù)值。此外，由于儀器的重復(fù)性與不確定度數(shù)值相同， 因此要進(jìn)一步分為標(biāo)準(zhǔn)不確定分量數(shù)值與不確定度數(shù)值， 從而對(duì)校準(zhǔn)工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。 相關(guān)數(shù)值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 流量積算儀標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總情況

結(jié)合上表可以了解到， 對(duì)于重復(fù)性不確定度造成的影響，對(duì)流量積算儀標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量形成的影響具體為0.312 m3/h，此時(shí)靈敏系數(shù)為1，進(jìn)而可以計(jì)算出該項(xiàng)影響因素所產(chǎn)生的不確定度為0.312 m3/h；對(duì)于頻率信號(hào)不確定度造成的影響， 對(duì)流量積算儀標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量形成的影響具體為2.888×10-3Hz，此時(shí)靈敏系數(shù)為1.582 m3/h Hz-1， 進(jìn)而可以計(jì)算出該項(xiàng)影響因素所產(chǎn)生的不確定度為4.565×10-3m3/h；對(duì)于補(bǔ)償壓力不確定度造成的影響， 對(duì)流量積算儀標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量形成的影響具體為19.849Pa，此時(shí)靈敏系數(shù)為9.978×10-3m3/h Pa-1， 進(jìn)而可以計(jì)算出該項(xiàng)影響因素所產(chǎn)生的不確定度為0.199 m3/h；對(duì)于補(bǔ)償溫度不確定度造成的影響， 對(duì)流量積算儀標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量形成的影響具體為9.023×10-3℃，此時(shí)靈敏系數(shù)為-3.371 m3/h ℃-1， 進(jìn)而可以計(jì)算出該項(xiàng)影響因素所產(chǎn)生的不確定度為0.031m3/h；對(duì)于分辨率不確定度造成的影響， 對(duì)流量積算儀標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量形成的影響具體為2.888×10-3m3/h，進(jìn)而可以計(jì)算出該項(xiàng)影響因素所產(chǎn)生的不確定度為2.888×10-3m3/h。

最后針對(duì)各項(xiàng)影響因素帶來(lái)的不確定度進(jìn)行匯總分析，同時(shí)對(duì)不確定度的相關(guān)數(shù)值進(jìn)行拓展，可以取得拓展不確定度的數(shù)值k=2。此外，根據(jù)流量積算儀鑒定規(guī)程規(guī)定， 流量誤差采用相對(duì)誤差的形式來(lái)體現(xiàn)， 也就是圍繞實(shí)際測(cè)量數(shù)值與真實(shí)情況進(jìn)行對(duì)比判定，也能夠取得相對(duì)拓展不確定的數(shù)值k=2。

因此，在應(yīng)用《流量積算儀檢定規(guī)程》的要求對(duì)流量積算儀的不確定度進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)， 需要考慮到各項(xiàng)影響因素造成的實(shí)際變化， 同時(shí)還要從流量積算儀的運(yùn)行原理入手， 結(jié)合儀器的實(shí)際測(cè)定方式對(duì)不確定度的變化范圍進(jìn)行測(cè)定， 例如對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算， 求得其相對(duì)拓展的不確定度為0.08%， 而且k=2。 這樣在對(duì)流量積算儀進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，可以更加有效的解決儀器在檢定過(guò)程中不確定問(wèn)題， 對(duì)市場(chǎng)監(jiān)督管理工作的順利開展提供穩(wěn)定保障。

5 討論

綜上所述， 流量積算儀在使用過(guò)程中會(huì)受到不確定度的影響，進(jìn)而使最終的顯示結(jié)果存在誤差，如果沒(méi)能針對(duì)這類誤差情況進(jìn)行合理調(diào)整， 將會(huì)影響相關(guān)檢測(cè)工作的開展。因此，文章針對(duì)流量積算儀的校準(zhǔn)工作展開研究， 首先對(duì)儀器的運(yùn)行原理進(jìn)行闡述， 并且闡述影響流量積算儀顯示準(zhǔn)確度的各類因素，例如溫度、壓力、元件、補(bǔ)償以及采樣等，這樣可以對(duì)儀器的各類影響因素進(jìn)行匯總。 其次采用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方式對(duì)各類不確定數(shù)值的變化幅度進(jìn)行計(jì)算。最后對(duì)流量積算儀的不確定度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合儀器的實(shí)際測(cè)定方式對(duì)不確定度的變化范圍進(jìn)行測(cè)定，例如對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，求得其相對(duì)拓展的不確定度為0.08%，而且k=2。 這樣在進(jìn)行儀器校準(zhǔn)工作時(shí)，可以大幅度提升工作質(zhì)量。