科氏質(zhì)量流量計標(biāo)準(zhǔn)表法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

桂文浩

(艾默生過程控制流量技術(shù)有限公司，江蘇南京211100)

0 引言

隨著人們對產(chǎn)品質(zhì)量、工藝控制、生產(chǎn)流程和成本控制的要求越來越高，越來越多高精度、高性能的流量計產(chǎn)品進入到各個領(lǐng)域。如何保證這些高精度流量計產(chǎn)品的準(zhǔn)確性，對生產(chǎn)企業(yè)的計量工作提出了更高的要求。如何建立高精度、高可靠性、高效率的流量校準(zhǔn)裝置，已經(jīng)成為計量工作中的重要一環(huán)。

容積法和稱重法流量校準(zhǔn)裝置由于其便于溯源，基準(zhǔn)較易獲得，故在國內(nèi)的應(yīng)用時間較長，并廣泛用于企業(yè)和實驗室。但該型系統(tǒng)存在效率低，測量時間長，維修維護困難，易受干擾，適用范圍窄，成本高，隨著管線尺寸的增加，投資和系統(tǒng)尺寸成倍增加，對于流量計生產(chǎn)企業(yè)或測試任務(wù)繁重的實驗室，已越來越難以滿足他們的需求。

標(biāo)準(zhǔn)表法適應(yīng)范圍寬，抗干擾能力強，效率高，可靠性高，已得到越來越多企業(yè)和實驗室的認(rèn)可。本文介紹一種采用Emerson公司旗下MicroMotion生產(chǎn)的CMF系列高精度質(zhì)量流量計的標(biāo)準(zhǔn)表法流量校準(zhǔn)裝置。

1 標(biāo)準(zhǔn)表法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成

標(biāo)準(zhǔn)表法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，即是指一種采用流量計作為計量基準(zhǔn)，使流體在相同時間間隔內(nèi)連續(xù)通過標(biāo)準(zhǔn)流量計和被檢流量計，通過比較兩者的輸出流量值，從而確定被檢流量計的計量性能。由于標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)法流量裝置可以實現(xiàn)連續(xù)流，不需要使用換向器和啟停閥門，從而大大減少了系統(tǒng)的設(shè)計難度，尤其是換向器，消除了換向器設(shè)計制造誤差而引入的流量測量誤差。另一方面，由于實現(xiàn)了連續(xù)流，故而該裝置在保證直管段的條件下也可直接用于測量電磁、渦街、超聲等其他多種流量計，拓寬了使用范圍，提高了使用效率，簡化了現(xiàn)場操作。

圖1是一種采用科里奧利質(zhì)量流量計做為標(biāo)準(zhǔn)表的水流量校準(zhǔn)裝置。主要由流源系統(tǒng)(水箱和變頻調(diào)速水泵)、標(biāo)準(zhǔn)表組(多臺并聯(lián)安裝的質(zhì)量流量計)、被測表工位、閥門組(開關(guān)閥、節(jié)流閥)和信號采集與控制系統(tǒng)(頻率計數(shù)、毫安測量、數(shù)據(jù)采集、誤差計算、報告)組成。

圖1 系統(tǒng)工作原理簡圖

標(biāo)準(zhǔn)表部分由五臺高精度科里奧利質(zhì)量流量計組成，分別為CMF025，CMF050，CMF100，CMF200和CMF300;五臺流量計采用并聯(lián)的方法，最小流量可達(dá)到1.8 kg/min，最大流量可達(dá)到3000 kg/min，故而其量程比達(dá)到了1500。對于該流量范圍的任一流量，系統(tǒng)會選擇相應(yīng)流量范圍對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)表路徑作為其測試表，故對任一流量，只會有一臺標(biāo)準(zhǔn)表作為實際使用的標(biāo)準(zhǔn)表，從而保證了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。安裝方案如圖2所示。

圖2 質(zhì)量流量計并聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)表組

2 標(biāo)準(zhǔn)流量計的檢定和校準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)表法裝置在使用過程中的一大問題就是如何進行周期檢定和校準(zhǔn)，從而保證標(biāo)準(zhǔn)表的穩(wěn)定可靠和溯源。有以下幾種方法:

使用標(biāo)準(zhǔn)表和稱重法混合集成的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，通過使用串聯(lián)集成的稱重裝置對標(biāo)準(zhǔn)流量計實現(xiàn)在線式檢定。這種方法的優(yōu)點是不需要拆除標(biāo)準(zhǔn)流量計，節(jié)省安裝調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)表的時間和由于拆卸標(biāo)準(zhǔn)表而可能造成的問題;缺點是投資大，設(shè)備復(fù)雜，由于集成有稱重法設(shè)備，操作維護復(fù)雜。

標(biāo)準(zhǔn)流量計離線式檢定，即將標(biāo)準(zhǔn)表流量計從裝置中拆除下來，在其它可以溯源的稱重法或體積法的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中進行檢定，然后再將其裝回原標(biāo)準(zhǔn)表法流量裝置中。這一方法的問題是需要對標(biāo)準(zhǔn)流量計進行拆裝，大大增加了現(xiàn)場檢定的難度，并且不能排除人為安裝等因素所產(chǎn)生的問題，尤其在高精度的場合，該方法帶來了較大的不確定性。

綜合以上兩種方法的優(yōu)缺點，本文介紹了一種新的方法，即傳遞標(biāo)準(zhǔn)表法。即使用一套傳遞標(biāo)準(zhǔn)表，將傳遞標(biāo)準(zhǔn)表在可以溯源的稱重法或體積法流量裝置上進行檢定，評估其不確定度，然后將其作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，放入待檢定的標(biāo)準(zhǔn)表法流量裝置上，對標(biāo)準(zhǔn)流量計進行檢定，這樣可以做到在不拆除裝置上標(biāo)準(zhǔn)流量計的情況下直接對其進行檢定。這種測試方法簡便易行，測試數(shù)據(jù)詳細(xì)可靠，故而通過較為詳實的數(shù)據(jù)，可以給出科學(xué)的不確定度評估方法。稱重法及傳遞標(biāo)準(zhǔn)表法溯源見圖3、圖4。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)表法裝置的溯源鏈(稱重法)

圖4 標(biāo)準(zhǔn)表法裝置的溯源鏈(傳遞標(biāo)準(zhǔn)表法)

表1給出了型號為CMF200的標(biāo)準(zhǔn)流量計在質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上的測試數(shù)據(jù)及不確定度計算。該質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度為0.03%(k=2)，測試流量點共有9個點，覆蓋了該型號流量計的實際使用流量，每點重復(fù)6次，并對實驗結(jié)果進行基于最小二乘法的線性化。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果和溯源鏈可以發(fā)現(xiàn)，由于采用了一次傳遞，故本次測量下該標(biāo)準(zhǔn)流量計的擴展不確定度可以達(dá)到0.031%(k=2)，與稱重法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度幾乎相同。

表1 標(biāo)準(zhǔn)流量計CMF200不確定度的計算

表2給出了型號為CMF100的傳遞標(biāo)準(zhǔn)在質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上的測試數(shù)據(jù)及不確定度計算，共測試了10個流量點，覆蓋了該型號流量計的實際使用流量，每點重復(fù)6次。本次測量下的該傳遞標(biāo)準(zhǔn)的擴展不確定度可達(dá)到0.035%(k=2)。

表2 傳遞標(biāo)準(zhǔn)表CMF100不確定度的計算

表3是在直接使用以上傳遞標(biāo)準(zhǔn)對標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中的標(biāo)準(zhǔn)流量計進行測試，其測試方法同表2所列測試方法，根據(jù)表3計算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)基于此方法的最終標(biāo)準(zhǔn)流量計的擴展不確定度約為0.05%(k=2)。

相比直接稱重法，傳遞標(biāo)準(zhǔn)法多了一次傳遞，故而引入了一定的不確定度，但是由于該方法無需拆裝標(biāo)準(zhǔn)流量計，排除了人為因素所導(dǎo)致的系統(tǒng)問題，間接保證了標(biāo)準(zhǔn)流量計的可靠，穩(wěn)定工作，加上不需投資小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，維修維護方便，且該測試方法有效可行，測試數(shù)據(jù)充分，為評估其不確定度提供了可靠的依據(jù)，也為使用該方法提供了理論與實驗數(shù)據(jù)。

3 標(biāo)準(zhǔn)流量計的期間核查

本文使用同樣為CMF100的質(zhì)量流量計作為期間核查的被測流量計，選用了兩個流量點作為測試流量點，流量點涵蓋了該型流量計的使用范圍，選取平均誤差最大的流量點作為該次的核查點，引入了評估系數(shù)En.

圖5所示為根據(jù)最近三個月的期間核查數(shù)據(jù)所作出的趨勢圖，可以看出評估系數(shù)最優(yōu)時為0.05，最差時為0.5，也就是說該標(biāo)準(zhǔn)流量計隨著時間的變化，其最大誤差值也優(yōu)于0.02%。另一方面，通過采用期間核查和評估系數(shù)的方法，從另一方面證明了采用科氏質(zhì)量流量計的標(biāo)準(zhǔn)流量計的穩(wěn)定性和可靠性。

圖5 CMF100標(biāo)準(zhǔn)流量計的評估系數(shù)趨勢圖

綜上所述，使用科氏質(zhì)量流量計作為標(biāo)準(zhǔn)流量計應(yīng)用到流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上是有效的，可行的。通過實驗數(shù)據(jù)的分析，使用高精度科氏質(zhì)量流量計，大大提高了標(biāo)準(zhǔn)表法裝置的精度和穩(wěn)定性，為該型裝置的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

［1］JJG643-2003標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程［S］.

［2］Dean M.Standiford.New Design for a Transfer Standard Method Flow Stand［S］.2013 Flomeko