熱量測量裝置熱量校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評定

楊海燕，趙婷婷，韋宣，由志勛

(西安熱工研究院有限公司，陜西西安710032)

0 引言

JJG 225-2001《熱能表檢定規(guī)程》中，熱能表的檢定主要分為總量校準(zhǔn)和分量檢定，而且主要是針對載熱介質(zhì)為液體的熱能表的檢定，檢定用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備為:熱水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置或標(biāo)準(zhǔn)熱能表等，對于載熱介質(zhì)為過熱蒸汽的熱量測量裝置不是很適用，因此，該熱量測量裝置參考JJG 225-2001《熱能表檢定規(guī)程》，采用先分量檢定各項(xiàng)傳感器，將檢定合格的流量用差壓變送器與熱量測量裝置連接，其他量模擬輸入的方法進(jìn)行整體檢定。目的是盡量還原現(xiàn)場實(shí)際的使用狀態(tài)，使校準(zhǔn)的結(jié)果具有更高的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

1 工作原理

熱量測量裝置為組合式熱量測量儀表，它由獨(dú)立的差壓流量傳感器、工作壓力傳感器、pt100工業(yè)鉑熱電阻和顯示儀表組成。它的工作原理是:將pt100工業(yè)鉑熱電阻安裝在熱交換回路的入口管道上(冷凝水回收時，出口處也應(yīng)安裝溫度傳感器)，將差壓流量傳感器(差壓變送器)安裝在入口管上;差壓流量傳感器發(fā)出流量信號，pt100工業(yè)鉑熱電阻給出入口溫度信號，顯示儀表采集流量信號、溫度信號和工作壓力信號;經(jīng)過計算，顯示儀表顯示出載熱介質(zhì)釋放的瞬時熱量值。

2 校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)熱量測量裝置的標(biāo)準(zhǔn)器為:0.005級活塞式壓力計標(biāo)準(zhǔn)裝置、±0.005%的數(shù)字多用表、0.01級的精密直流電阻箱和二等鉑電阻溫度計標(biāo)準(zhǔn)裝置。校準(zhǔn)采用方式為:先對熱量測量裝置的各分量傳感器進(jìn)行檢定，將檢定合格的測量流量值的差壓變送器與熱量測量裝置連接，工作壓力、工作溫度采用模擬輸入法的方式連接后再進(jìn)行總量校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系統(tǒng)連接示意圖如圖1所示。

圖1 熱量測量裝置校準(zhǔn)連接示意圖

校準(zhǔn)依據(jù)JJG 882-2004《壓力變送器檢定規(guī)程》、JJG 640-1994《差壓式流量計檢定規(guī)程》、JJG 1003-2005《流量積算儀檢定規(guī)程》、JJG 225-2001《熱能表檢定規(guī)程》和JJG 229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程》。

將熱量測量裝置配套的流量測量通道用差壓變送器，工作壓力通道用壓力變送器，工作溫度通道用Pt100鉑熱電阻分別按照相應(yīng)的檢定規(guī)程進(jìn)行檢定，對熱量測量裝置的流量測量和熱量測量進(jìn)行整體校準(zhǔn)。

在整體校準(zhǔn)時，校準(zhǔn)連接示意圖如圖1，將差壓變送器輸出端接入熱量測量裝置流量通道的輸入端，同時用6位半數(shù)字多用表監(jiān)測壓力變送器輸出電流值;將工作壓力變送器輸出端接入熱量測量裝置工作壓力通道的輸入端，同時用6位半數(shù)字多用表監(jiān)測壓力變送器輸出電流值;連接工作溫度通道的設(shè)備為0.01級精密直流電阻箱。

熱量測量裝置瞬時流量、瞬時熱量校準(zhǔn)時，將各通道的設(shè)置為:工作壓力、工作溫度點(diǎn)將用戶提供的實(shí)際進(jìn)行輸入，流量和熱量通道在設(shè)定的差壓壓力點(diǎn)按正反行程緩慢升壓和降壓，通過改變壓力值從而使差壓變送器輸出值隨之變化，實(shí)時測得瞬時流量和瞬時熱量值，再通過計算得到瞬時流量值和瞬時熱量值的理論值，將測得值和理論值進(jìn)行比較，如此進(jìn)行至少6個循環(huán)的校準(zhǔn)。

3 不確定度評定

3.1 數(shù)學(xué)模型

熱量測量:熱量測量裝置選擇冷凝水不回收狀態(tài)時，熱量的測量模型如下式:

式中:Q為熱量測量裝置的瞬時熱量，kJ/h;h焓值為根據(jù)過熱蒸汽的工作壓力(用絕對壓力)和工作溫度查表得到，或者根據(jù)IAPWS-IF97公式計算得到，kJ/kg;qm為熱量測量裝置的瞬時質(zhì)量流量，kg/h。

其中流量由公式(2)計算得到

式中:K為儀表系數(shù);p為差壓值，Pa;ρ為工作介質(zhì)標(biāo)況密度;kg/m3。根據(jù)工作介質(zhì)在一定的工作壓力和工作溫度下查表得到2.726 kg/m3。

差壓值p包括兩項(xiàng)內(nèi)容:一是壓力系統(tǒng)的壓力值p1;二是差壓變送器工作位置與活塞式壓力計工作位置不在同一水平面對應(yīng)的高度差所產(chǎn)生的壓力p2。

p2表達(dá)式為

式中:ρ2為校準(zhǔn)用工作介質(zhì)的密度，kg/m3;

綜上所述，式(1)可寫成式(4)，有

校準(zhǔn)時，環(huán)境溫度滿足0.005級活塞式壓力計的使用環(huán)境條件要求，即在24 h保持在(20±1)℃，在每個校準(zhǔn)循環(huán)，環(huán)境溫度波動遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于被校準(zhǔn)的熱量測量裝置的環(huán)境溫度的要求，所以環(huán)境溫度的變化對校準(zhǔn)結(jié)果的影響不予考慮。

瞬時熱量顯示值的校準(zhǔn)結(jié)果相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度包括以下幾項(xiàng):

1)重復(fù)測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(A類評定);

2)標(biāo)準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(B類評定);

3)過熱蒸汽密度ρ引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(B類評定);

4)氣柱高度差h引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(B類評定);

5)焓值h焓值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(B類評定)。

除重復(fù)測量引入的不確定度分量外，其他各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的靈敏系數(shù)由公式(4)分別取偏導(dǎo)可得

3.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

已知被校準(zhǔn)熱量測量裝置的相關(guān)參數(shù)為:差壓范圍:0～20 kPa;流量范圍:0～40 t/h;熱量范圍:0～134.90 GJ/h。

校準(zhǔn)時，根據(jù)上述校準(zhǔn)方法的要求在設(shè)定的差壓壓力點(diǎn)，按正反行程緩慢升壓和降壓，同時記錄差壓變送器的輸出電流值、流量測量瞬時值和熱量測量瞬時值，如此進(jìn)行至少6個循環(huán)的校準(zhǔn)，本文以作用差壓壓力8 kPa為典型值(實(shí)際測得差壓變送器輸出平均值為10.404 mA，流量輸出平均值為25.4 t/h，熱量輸出平均值為85.50 GJ/h)進(jìn)行校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析，其他點(diǎn)差壓壓力點(diǎn)方法相同。

3.2.1 重復(fù)測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

計算上行程和下行程動的單次測量重復(fù)性和平均值的測量重復(fù)性，并選用單次測量的相對測量重復(fù)性作為本次評定中重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。

由重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量采用貝塞爾公式計算。

s標(biāo)準(zhǔn)偏差計算公式見公式(5)，式中n=6，則

單次測量值的相對重復(fù)性引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1為

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

0.005 %級活塞式壓力計測量壓力的不確定度由檢定有效期內(nèi)的檢定證書上給出，Up=0.0018%，k2=2，標(biāo)準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度up為

3.2.3 氣柱差h引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

3.2.4 工作介質(zhì)密度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(B類評定)

3.2.5 焓值h焓值計算引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(B類評定)

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

熱量測量裝置瞬時熱量校準(zhǔn)的相對合成不確定度計算公式見式(6)，計算結(jié)果見表1。

3.4 相對擴(kuò)展不確定度

熱量測量裝置瞬時熱量，其相對擴(kuò)展不確定度表示為

4 測量不確定度報告

被校準(zhǔn)熱量測量裝置的熱量校準(zhǔn)結(jié)果及其相對擴(kuò)展不確定度表述見表2。

表2 熱量校準(zhǔn)結(jié)果及其相對擴(kuò)展不確定度