流量校準技術(shù)中有關(guān)問題的商榷

陳　梅 　 陸　科 　 李　濤

(遼寧省計量科學(xué)研究院，沈陽 110004)

0　引言

根據(jù)JJF 1004—2004《流量計量名詞術(shù)語及定義》，可以這樣理解流量標準裝置：以液體(如水或油)或氣體為試驗介質(zhì)，提供確定準確度流量值的測量設(shè)備。

控制系統(tǒng)是流量標準裝置不可缺少的組成部分，裝置中各種設(shè)備的動作、數(shù)據(jù)的采集、處理、檢定結(jié)果的判定等，都是由控制系統(tǒng)完成的。流量標準裝置控制系統(tǒng)的配置是否合理，數(shù)據(jù)采集、處理是否正確，直接影響流量測量結(jié)果。

下面以靜態(tài)質(zhì)量法水流量標準裝置為例，談?wù)剬嶋H工作中的幾個問題。

1　靜態(tài)質(zhì)量法水流量標準裝置的流量計算公式

靜態(tài)質(zhì)量法水流量標準裝置就是根據(jù)在實測時間間隔內(nèi)，稱重容器收集到的通過換向器進入其中的水在靜止狀態(tài)下的質(zhì)量，從而計算出流量的方法。現(xiàn)在，靜態(tài)質(zhì)量法水流量標準裝置的計量標準器都采用電子秤，用砝碼進行溯源。

JJG 99—2006《砝碼》中規(guī)定用“折算質(zhì)量”表示砝碼的質(zhì)量值。即：一物體在約定溫度(tref=20℃)和約定密度(ρ0=1.2kg/m3)的空氣中，與一約定密度(ρref=8000kg/m3)的標準砝碼達到平衡，則標準砝碼的質(zhì)量即為該物體的折算質(zhì)量mc。

折算質(zhì)量mc是物體在空氣中得到的質(zhì)量，物體真空中的質(zhì)量=空氣中的質(zhì)量+浮力，所以折算質(zhì)量mc與該物體在真空中的質(zhì)量m0的關(guān)系是：

m0=mc+ρ0(V-Vc)

(1)

式中：m0為物體在真空中的質(zhì)量，kg；mc為物體的折算質(zhì)量，kg；V為物體的體積，m3；Vc為砝碼的約定體積，m3；ρ0為空氣的約定密度，其值為1.2 kg/m3。

(2)

式中：ρref為砝碼的約定密度，其值為8000kg/m3；ρ為被稱量物體的密度，kg/m3。

式(2)是以砝碼為標準器，機械衡器為比較儀，用比較的方法求出被稱量物體質(zhì)量的公式，與GB/T 17612—1998《封閉管道中液體流量的測量——稱量法》中給出的公式是一致的。

用電子秤作標準器檢定流量計時，直接讀取的是電子秤的示值m，m與其真空中的質(zhì)量m0的關(guān)系是：

m0=m+ρaV

(3)

(4)

式中：m為物體的稱重質(zhì)量(即電子秤的示值)，kg；ρa為空氣的實際密度，kg/m3。

式(4)是用經(jīng)檢定合格的電子秤稱量物體，求其質(zhì)量的公式。

當被稱量的物體是稱重容器在測量時間內(nèi)收集到的水時，式(2)、(4)表示的都是測量時間內(nèi)的累計質(zhì)量流量，ρ為水的密度，一般用水密度計測得。

通過計算可以發(fā)現(xiàn)，式(2)和式(4)之間存在著0.015%的差異。這是因為式(2)是用比較法得出的，即將被測物(稱重容器中的水)的質(zhì)量與砝碼進行比較；而式(4)是用直接測量法得出的，即直接讀取電子秤的示值。在一些流量計的檢定規(guī)程中，如JJG 1038—2008《科里奧利質(zhì)量流量計》、JJG 1029—2007《渦街流量計》、JJG 1030—2007《超聲流量計》、JJG 1033—2007《電磁流量計》等，或給出了式(2)，或給出了式(4)，或兩者兼而有之。鑒于目前的質(zhì)量法水流量標準裝置的計量標準器均為電子秤，因此應(yīng)采用式(4)進行計算。

2　流量標準裝置的電流測量范圍及不確定度

一般的，流量計或是脈沖輸出，或是電流輸出，或兩者兼而有之，這就要求流量標準裝置至少應(yīng)具有脈沖和電流兩種測量能力。

在一些流量計的檢定規(guī)程中，規(guī)定了“流量計輸出信號為脈沖時，一次檢定中流量計脈沖數(shù)的測量不確定度應(yīng)優(yōu)于流量計最大允許誤差絕對值的1/10”；或“當采用被檢表脈沖輸出進行檢定時，一次檢定中所記脈沖數(shù)不得少于最大允許誤差絕對值倒數(shù)的10倍”。兩種表達方式是一致的，都是對流量標準裝置脈沖計數(shù)部分的要求，而對流量標準裝置的電流測量部分沒有給出具體要求，JJG 164—2000《液體流量標準裝置》對流量標準裝置的電流測量范圍和不確定度也沒有要求。

流量計正常工作時的電流輸出是4～20mA，不同的流量計工作不正常時的輸出各不相同，可能會出現(xiàn)低于4mA(如2.25mA)和高于20mA(如22.5mA)的情況。另外，當采用被檢流量計電流輸出進行檢定時，首先應(yīng)對流量計的電流環(huán)進行校準，這時需要準確測出流量計在4mA和20mA處的實際值，也會出現(xiàn)小于4mA和大于20mA的情況。因此流量標準裝置的電流測量范圍應(yīng)大于4～20mA，如0～22.5mA。

參照流量標準裝置對脈沖計數(shù)測量不確定度的要求，以靜態(tài)質(zhì)量法水流量標準裝置為例，假設(shè)被檢流量計為0.2級，電流測量的不確定度則應(yīng)優(yōu)于0.02%。事實上，無論是數(shù)據(jù)采集模塊還是多功能數(shù)字表，電流測量的準確度一般在0.05%～0.1%之間，按矩形分布考慮，則其標準不確定度在0.03%～0.06%之間。

同一臺流量計，無論是用脈沖輸出還是用電流輸出進行測量，其結(jié)果是一致的，但電流輸出測量結(jié)果的不確定度比脈沖輸出測量結(jié)果的不確定度要大得多。因此，對準確度等級不低于0.2級的流量計，應(yīng)該用脈沖輸出進行檢定。

3　差壓式流量計節(jié)流件流出系數(shù)計算公式

節(jié)流件前后流體流動情況如圖1所示。根據(jù)伯努利方程和連續(xù)性方程，不可壓縮理想流體滿足下列公式：

(5)

A1v1=A2v2

(6)

式中：p1、v1、A1分別表示流束收縮前截面I處的壓力、流速和流通面積；p2、v2、A2分別表示流束為最小時截面Ⅱ處的壓力、流速和流通面積。

圖1　節(jié)流件前后流體流動情況

把式(6)代入式(5)，整理后得到：

(7)

(8)

由qV=A2v2和qm=ρqV，得出：

(9)

(10)

由于實際流體與理想流體之間存在差異，所以式(8)、(9)、(10)并不適用于實際流體，必須進行修正，設(shè)修正系數(shù)為C，則實際流體的質(zhì)量流量公式為：

(11)

修正系數(shù)C稱為流出系數(shù)，是不可壓縮流體的實際流量與理論流量的比值，其值由實驗確定。對式(11)整理后得到：

(12)

此即GB/T 2624.1—2006給出的流出系數(shù)的計算公式。

圖2是差壓式流量計常見節(jié)流件的幾種類型。

圖2　常見節(jié)流件

對圖2(a)所示的孔板，d=d1；

由以上分析可知，此類流量計的流量公式是相同的，但不同的節(jié)流件其直徑的計算是不同的。

4　結(jié)束語

計量檢定規(guī)程是技術(shù)法規(guī)，是計量檢定工作的依據(jù)，其制定(修訂)應(yīng)跟上時代發(fā)展的步伐和使用的需要。作為測量系統(tǒng)的流量標準裝置，大部分計算工作是由軟件完成的，這就要求無論是軟件編制人員還是計量檢定人員，都應(yīng)正確理解規(guī)程中每個物理量的含義，將附加因素帶來的影響降到最低。

[1]JJG 99—2006砝碼[S]

[2]GB/T 17612—1998封閉管道中液體流量的測量——稱量法[S]

[3]GB/T 17613.1—1998用稱重法測量封閉管道中的液體流量裝置的檢驗程序——第1部分：靜態(tài)稱量系統(tǒng)[S]

[4]JJG 164—2000液體流量標準裝置[S]

[5]GB/T 2624.1—2006用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量 第1部分：一般原理和要求[S]

[6]JJG 640—1994差壓式流量計[S]