氣體渦輪和腰輪流量計在比對過程中的計量性能分析

李曉宇　劉敦利

(新疆維吾爾自治區(qū)計量測試研究院，烏魯木齊 830011)

0　引言

在氣體流量計量中，氣體渦輪和腰輪流量計均為比較成熟的儀表，具有準確度高、重復(fù)性好、量程比寬、抗干擾能力強等特點，在石油化工工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用[1-2]。同時，在全國省級技術(shù)機構(gòu)之間和省市范圍內(nèi)，這兩種流量計也多次被作為傳遞標準用于氣體流量標準裝置的比對工作[3]。

但是，比對過程中，這兩種流量計的計量性能變化情況以及這一變化對比對數(shù)據(jù)的影響程度等問題都沒有一個定量甚至定性的結(jié)論。分析和研究這些問題，有利于對比對數(shù)據(jù)更加客觀的評價和處理，提高比對結(jié)果的公平性和公正性[4]。同時，進一步分析其變化規(guī)律，有利于指導(dǎo)比對工作中對流量計和流量點的選擇，以減小流量計本身對比對數(shù)據(jù)的影響程度，使得比對結(jié)果能夠更好地反映標準裝置的測量能力。

2013年9月，新疆維吾爾自治區(qū)計量測試研究院承擔(dān)并主導(dǎo)了全疆范圍內(nèi)氣體流量標準裝置的比對工作。本文基于本次比對工作中的實驗數(shù)據(jù)，分析和研究兩臺傳遞標準——氣體渦輪流量計和氣體腰輪流量計的計量性能變化情況，以期為探討和解決上述問題提供參考。

1　比對概述

主導(dǎo)實驗室為新疆計量測試研究院，參比實驗室為全疆范圍內(nèi)其他七個授權(quán)的計量技術(shù)機構(gòu)。所有實驗室的比對裝置均為臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置，測量范圍均滿足比對的流量點要求。傳遞標準為一臺渦輪流量計和一臺腰輪流量計，均采用脈沖輸出的方法，測量設(shè)定流量點的儀表系數(shù)。傳遞標準的參數(shù)見表1。

為了保證傳遞標準的計量性能穩(wěn)定性，采用星形式傳遞方法，比對過程中主導(dǎo)實驗室完成對傳遞標準的8次試驗。每個流量點重復(fù)實驗6次，取算術(shù)平均值作為實驗結(jié)果。比對過程中人員全程監(jiān)督，傳遞標準在比對過程中沒有出現(xiàn)碰撞、跌落、電擊、堵塞等意外情況，保證了傳遞標準的完好性和實驗數(shù)據(jù)的有效性。

表1　傳遞標準參數(shù)

本文基于實驗數(shù)據(jù)分析和研究氣體渦輪和腰輪流量計的計量性能變化，從流量計整體情況、單個流量點情況兩個角度出發(fā)，分析其示值誤差、儀表系數(shù)、復(fù)現(xiàn)性、穩(wěn)定性等方面的內(nèi)容，同時對比對數(shù)據(jù)進行處理，以驗證分析結(jié)論。

復(fù)現(xiàn)性定義為同一流量計在相同的標準裝置、不同的實驗時間、不同的實驗環(huán)境條件下得到測量結(jié)果的一致程度，采用實驗標準偏差表示[5-6]。衡量標準為流量計最大允許誤差絕對值的1/3。計算公式為：

(1)

穩(wěn)定性定義為同一流量計在同一個標準裝置、不同實驗條件下，多次測量結(jié)果的變化幅度，衡量標準為流量計的最大允許誤差。計算公式為：

(2)

式中：xmax、xmin分別為本次實驗數(shù)據(jù)中儀表系數(shù)或示值誤差的最大值、最小值。

2　流量計整體計量性能分析

試驗得到的兩個流量計的儀表系數(shù)和示值誤差以及它們的平均值、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性如表2所示。

表2　氣體渦輪和腰輪流量計的儀表系數(shù)和示值誤差

2.1　示值誤差

氣體渦輪流量計最大示值誤差為0.28％，氣體腰輪流量計最大示值誤差為0.31％，均小于其最大允許誤差1％，滿足合格要求。由此說明，氣體渦輪和腰輪流量計的計量準確度比較高，穩(wěn)定性也較好。同時，由于采用脈沖輸出方式，示值誤差也反映了流量計儀表系數(shù)的線性度，示值誤差較小，說明流量計儀表系數(shù)的線性度也比較好。

2.2　復(fù)現(xiàn)性

氣體渦輪流量計的儀表系數(shù)復(fù)現(xiàn)性為0.12％、示值誤差復(fù)現(xiàn)性為0.06％，小于0.33％，由此說明氣體渦輪流量計在改變了實驗時間和環(huán)境條件下，仍然能夠保證儀表系數(shù)和示值誤差的一致性，也證明了常規(guī)的檢定結(jié)果對正常工作條件下氣體渦輪流量計的有效性。同樣，從氣體腰輪流量計的儀表系數(shù)和示值誤差的復(fù)現(xiàn)性數(shù)據(jù)分析，結(jié)論與氣體渦輪流量計一致。

2.3　穩(wěn)定性

氣體渦輪流量計的儀表系數(shù)和示值誤差的穩(wěn)定性分別為0.41％、0.64％，均小于1％，在合格范圍內(nèi)。氣體腰輪流量計的儀表系數(shù)穩(wěn)定性為0.81％，示值誤差穩(wěn)定性為1.13％，前者合格，后者不合格。

2.4　小結(jié)

從氣體渦輪和腰輪流量計的儀表系數(shù)和示值誤差整體分析其復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性，可以得出：在多次試驗中，兩種流量計的儀表系數(shù)和示值誤差均保持了較好的一致性。同時，前者的穩(wěn)定性優(yōu)于后者，后者的示值誤差穩(wěn)定性超過允許范圍，可能會對比對結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

3　單個流量點計量性能分析

針對每一個流量點儀表系數(shù)的測量數(shù)據(jù)見表3。

表3　單個流量點的儀表系數(shù)及其復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性

3.1　儀表系數(shù)

對表3中兩臺流量計各流量點的儀表系數(shù)轉(zhuǎn)換為折線圖，見圖1和圖2。

圖1　氣體渦輪流量計各流量點的儀表系數(shù)

圖2　氣體腰輪流量計各流量點的儀表系數(shù)

從圖1中可以看出，氣體渦輪流量計三個流量點儀表系數(shù)的變化趨勢基本上是一致的。其中，80m3/h流量點的儀表系數(shù)最大，150m3/h和300m3/h兩個流量點的儀表系數(shù)基本相同。所以，氣體渦輪流量計在150m3/h和300m3/h流量點的儀表系數(shù)具有較好的一致性，在比對實驗中，選擇這兩個流量點能夠更好地反映出標準裝置在不同流量點的穩(wěn)定性和準確性。

圖2中，氣體腰輪流量計三個流量點的儀表系數(shù)整體的變化趨勢相同，第二次試驗的儀表系數(shù)整體增大，第三次試驗的儀表系數(shù)卻整體下降，而之前和之后的儀表系數(shù)基本保持一致。三個流量點的儀表系數(shù)平均值分別為1413.96m-3、1416.19m-3和1419.20m-3，差值基本相同，說明氣體腰輪流量計的儀表系數(shù)與流量點的線性關(guān)系較好。

同時，從表3中可以看出，氣體渦輪流量計的儀表系數(shù)隨著流量點的增大而減小，而氣體腰輪流量計的儀表系數(shù)隨著流量點的增大而增大，這也反映出兩種流量計不同的計量特性。

3.2　復(fù)現(xiàn)性

氣體渦輪流量計在80m3/h、150m3/h、300m3/h流量點的儀表系數(shù)復(fù)現(xiàn)性分別為0.17％、0.11％和0.08％，均小于0.33％，屬于合格范疇，且值都比較??；氣體腰輪流量計三個流量點的儀表系數(shù)復(fù)現(xiàn)性分別為0.30％、0.29％和0.18％，也均小于0.33％，但是值都比較大，其復(fù)現(xiàn)性明顯比氣體渦輪流量計差。

由此可以分析出，兩臺流量計所有流量點的儀表系數(shù)在不同檢定條件下均表現(xiàn)出了較好的一致性，但氣體渦輪流量計的一致性明顯優(yōu)于氣體腰輪流量計。同時，兩臺流量計均表現(xiàn)出流量點儀表系數(shù)的復(fù)現(xiàn)性隨著流量點的增大而減小的特點，也就是說在接近其最大流量點處儀表系數(shù)的復(fù)現(xiàn)性最好，儀表系數(shù)的一致性最好。這一特點有利于在對標準裝置進行量值比對、期間核查、穩(wěn)定性和重復(fù)性考核等工作中更好地選擇流量點，以盡量減小或避免流量計本身對標準裝置測量結(jié)果的影響。

3.3　穩(wěn)定性

氣體渦輪流量計從小到大的三個流量點的儀表系數(shù)依次為0.53％、0.32％和0.24％，均處于合格范圍內(nèi)；氣體腰輪流量計從小到大的三個流量點的儀表系數(shù)分別為1.06％、1.01％和0.60％，其中前兩個值均大于1％，不合格，第三個值雖然合格，但也較大。

這些數(shù)據(jù)說明了氣體渦輪流量計在實驗過程中保持了良好的穩(wěn)定性，儀表系數(shù)的變化對比對結(jié)果的影響較小，屬于可以接受范圍；而氣體腰輪流量計在實驗過程中的穩(wěn)定性較差，儀表系數(shù)出現(xiàn)了較大的偏離，不能客觀反映出標準裝置的計量性能，在比對實驗中需要慎重

3.4　小結(jié)

從單個流量點分析兩臺流量計的儀表系數(shù)，發(fā)現(xiàn)氣體渦輪流量計的儀表系數(shù)在后兩個流量點一致性較好，能夠更好地反映出標準裝置的穩(wěn)定性和準確性；而氣體腰輪流量計的儀表系數(shù)與流量點的線性關(guān)系較好。同時，兩種流量計的儀表系數(shù)隨著流量點的增大而呈現(xiàn)相反的變化趨勢。

氣體渦輪和腰輪流量計各流量點儀表系數(shù)的復(fù)現(xiàn)性均合格，但前者明顯優(yōu)于后者，且隨著流量點的增大，復(fù)現(xiàn)性逐漸變好。在利用這兩種流量計考核標準裝置的工作中，盡可能選擇大的流量點，有利于使測量結(jié)果更好地反映標準裝置的計量特性。

氣體渦輪流量計的穩(wěn)定性均合格，但氣體腰輪流量計前兩個流量點儀表系數(shù)的穩(wěn)定性不合格，在比對實驗中優(yōu)先選擇前者，慎重選擇后者。兩種流量計儀表系數(shù)的穩(wěn)定性也隨著流量點增大而提高，選擇大流量點有利于減小儀表系數(shù)穩(wěn)定性對比對試驗的影響。

4　結(jié)束語

本文依據(jù)氣體渦輪和腰輪流量計的8次實驗數(shù)據(jù)，從示值誤差、儀表系數(shù)、復(fù)現(xiàn)性、穩(wěn)定性等方面分析了兩臺流量計在比對過程中的計量性能變化情況。從整體上分析，兩臺流量計的儀表系數(shù)和示值誤差均具有較好的一致性，但氣體腰輪流量計的變化幅度較大。從單一流量點分析，氣體渦輪流量計各流量點儀表系數(shù)均表現(xiàn)出了很高的復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性；而氣體腰輪流量計各流量點儀表系數(shù)的復(fù)現(xiàn)性較好，穩(wěn)定性超過允許范圍。

氣體流量標準裝置的比對是保證區(qū)域范圍量值傳遞一致性和有效性的一項重要內(nèi)容。但由于工作的難度大、周期長、內(nèi)容復(fù)雜，所以很難保持一定的連續(xù)性和周期性，對傳遞標準在比對過程中的計量性能變化研究也不能得到很好的論證。所以，本文的分析和研究結(jié)論也并不能代表兩種類型流量計的整體計量性能，需要更加充分的實驗和充足的數(shù)據(jù)才能得出盡可能全面、客觀的結(jié)論，為提升氣體流量標準裝置的比對工作提供依據(jù)。

[1]全國流量容量計量技術(shù)委員會.速度式流量計[M].北京：中國計量出版社，2008：99-100

[2]楊有濤，徐英華，王子鋼.氣體流量計[M].北京：中國計量出版社，2007：104-105

[3]蔡明山，王平靜.氣體流量標準裝置比對實驗結(jié)果分析[J].甘肅科技，2013,29(2)：57-58，67

[4]鄭建梅，梁永超，張偉偉，等.對氣體渦輪流量計儀表系數(shù)穩(wěn)定性的分析[J].城市燃氣，2007,38(6)：9-11

[5]耿維明.測量誤差與不確定度評定[M].北京：中國質(zhì)檢出版社，2011：34-35

[6]劉智敏.復(fù)現(xiàn)性不確定度的計算[J].計量技術(shù)，2006(8)：53-56