能源計(jì)量中容量量值傳遞技術(shù)研究

李 峰，何倫志，塔依爾·斯拉甫力，王順利

（1.新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆計(jì)量測(cè)試研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

能源計(jì)量中容量量值傳遞技術(shù)研究

李 峰1，2，何倫志1，塔依爾·斯拉甫力2，王順利2

（1.新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆計(jì)量測(cè)試研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

為解決新疆石油勘探、開采、數(shù)據(jù)分析到貿(mào)易結(jié)算所有環(huán)節(jié)容量量值的準(zhǔn)確與統(tǒng)一，提出容量量值溯源技術(shù)的研究。標(biāo)準(zhǔn)金屬量器在能源計(jì)量中起著重要的量值傳遞作用，該文以金屬量器容量檢定為研究對(duì)象，在現(xiàn)有檢定方法和理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集、處理技術(shù)，開發(fā)出三等金屬量器容量檢定裝置。經(jīng)過容量量傳體系的理論分析，結(jié)合容量衡量法與容量比較法，實(shí)現(xiàn)對(duì)三等金屬量器容量的檢定，該方法操作方便，過程簡(jiǎn)單，具有準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)。

容量計(jì)量；容量衡量法；容量比較法；三等金屬量器

0 引 言

石油貿(mào)易已經(jīng)成為新疆與中亞國際貿(mào)易中最重要的組成部分，容量計(jì)量作為石油貿(mào)易結(jié)算中最為核心的技術(shù)指標(biāo)之一，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度對(duì)油品靜態(tài)計(jì)量的公平公正有著重要意義[1-2]。

標(biāo)準(zhǔn)金屬量器（一等、二等和三等）的社會(huì)效益主要體現(xiàn)為它是作為中容量[3]量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，標(biāo)稱容積量值的準(zhǔn)確性與企業(yè)石油貿(mào)易結(jié)算的額度值有著密切的關(guān)系。

目前國內(nèi)各省計(jì)量院、計(jì)量站及法定容量計(jì)量授權(quán)機(jī)構(gòu)對(duì)三等金屬量器標(biāo)稱容積的檢定，方法大致雷同，都是借助自來水壓力注水，采用容量比較法則，通過人工干涉讀數(shù)，最終完成標(biāo)稱容積的檢定工作。這種方法存在的主要問題就是隨著大批量的待檢金屬量器量數(shù)目增加，操作過程繁瑣、工作難度增加、勞動(dòng)強(qiáng)度變大。由于讀取數(shù)據(jù)和控制頁面需要檢定員人工干預(yù)，檢定實(shí)驗(yàn)的可控性差，測(cè)量數(shù)據(jù)精度不高。由于采用的設(shè)備低端落后，檢定方法滯后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存方式混亂，數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤率高，盡管配置了水箱，但并沒有介質(zhì)過濾和循環(huán)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)使用的水介質(zhì)直接排放至公共下水通道。因?yàn)槿冉饘倭科鞫嘁詷?biāo)準(zhǔn)設(shè)備使用，除了科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，很少以工作計(jì)量器具使用，無法實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)計(jì)量。三等金屬量器作為標(biāo)準(zhǔn)器使用，其數(shù)量的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)不及容量或者流量動(dòng)態(tài)計(jì)量的儀表——流量計(jì)，并且量值傳遞技術(shù)服務(wù)費(fèi)用與付出的勞動(dòng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不成比例，所以中容量量值傳遞體系研究工作處于緩慢狀態(tài)。

文章通過容量比較與容量衡量[4-5]兩種法則的綜合使用，完成對(duì)三等金屬量器的快速、準(zhǔn)確檢定、提高量傳工作的自動(dòng)化程度，減小勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，節(jié)約量傳的經(jīng)濟(jì)成本，保障油品靜態(tài)計(jì)量中容量量值數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。

1 標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三等金屬量器[6-7]容量檢定裝置主要由5大體系組成，分別為標(biāo)準(zhǔn)器、測(cè)量設(shè)備、輔助設(shè)備、控制單元、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理部分。

標(biāo)準(zhǔn)器由1套二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器組、2臺(tái)電子天平及一等標(biāo)準(zhǔn)密度計(jì)組組成，同時(shí)配備單刻線容量瓶。輔助設(shè)備包含針對(duì)介質(zhì)和大氣的溫度與壓力測(cè)量?jī)x器。輔助設(shè)備由檢定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、水箱、管路及扶梯組成?？刂茊卧娫?、指示與控制按鈕、開關(guān)量輸出及模擬量輸入模塊。數(shù)據(jù)采集及處理部分主要包括下位機(jī)控制系統(tǒng)和上位機(jī)VB數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理程序。

文章研究的三等金屬量器容量檢定裝置總體思路就是以二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量組、高精度電子天平和一等玻璃密度計(jì)組為主標(biāo)準(zhǔn)器，通過上、下位機(jī)的聯(lián)合控制和數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)三等金屬量器容量量傳的自動(dòng)化。

三等金屬量器容量檢定裝置如圖1所示，該標(biāo)準(zhǔn)裝置主要包括容量衡量法檢定系統(tǒng)和容量比較法檢定系統(tǒng)[8-9]，實(shí)施對(duì)金屬量器容量量值的準(zhǔn)確傳遞。

圖1 三等金屬量器容量量傳標(biāo)準(zhǔn)裝置

1.1 容量比較法量傳系統(tǒng)

三等金屬量器容量比較法檢定系統(tǒng)的主標(biāo)準(zhǔn)模塊是標(biāo)準(zhǔn)金屬量器組，工作原理如圖2所示。

需要說明的是，三等金屬量器通過容量比較法實(shí)現(xiàn)標(biāo)稱容積的量值溯源，最直觀的方法就是通過二等金屬量器按照比值為1∶1的比較法則方法。但是，通常由于工作量器的標(biāo)稱容積很大，二等標(biāo)準(zhǔn)量器的標(biāo)稱容積很小，無法實(shí)現(xiàn)1∶1的比較法則，就需要采用將二等金屬量器的組合量值與被檢金屬量器的量值進(jìn)行比較檢定，為了最終數(shù)據(jù)的可控和準(zhǔn)確性，容量比值不應(yīng)大于1∶10。項(xiàng)目研究結(jié)果快速、準(zhǔn)確實(shí)施對(duì)容量范圍為5～2000 L的三等工作金屬量器進(jìn)行量值傳遞工作。

圖2 容量比較法原理圖

檢定時(shí)，通過循環(huán)泵和管路向二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器（或量器組合）內(nèi)注水，直至標(biāo)稱容積刻度，待液面穩(wěn)定后，測(cè)量容器內(nèi)介質(zhì)溫度；將標(biāo)準(zhǔn)金屬量器內(nèi)的介質(zhì)排出至金屬量器，排空，關(guān)閉閥門，讀取液位刻度值，測(cè)量溫度；計(jì)量頸部分度檢定；修正計(jì)算后得出金屬量器標(biāo)稱容積對(duì)應(yīng)的液位刻度值，根據(jù)規(guī)程要求給出檢定結(jié)果和結(jié)論。

1.2 容量衡量法量傳系統(tǒng)

容量衡量法[10]通過密度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量與體積的換算，三等金屬量器的質(zhì)量為ML，體積為VL，檢定介質(zhì)的質(zhì)量為Mw，體積為Vw，密度為ρw，實(shí)驗(yàn)室空氣密度為ρa(bǔ)，檢定介質(zhì)的表觀質(zhì)量為M（由標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量、補(bǔ)加小砝碼和天平平衡位置計(jì)算），其平衡方程為

由式（2）～式（4）得：

式中ρB為標(biāo)準(zhǔn)砝碼材料密度，Vw為量器內(nèi)容納檢定介質(zhì)（本章中檢定介質(zhì)為水）的體積，即T℃時(shí)的量器容積，即VT=Vw。

容量衡量法的工作原理就是通過測(cè)量水的質(zhì)量、密度、溫度及液位刻度，然后計(jì)算出標(biāo)稱體積。測(cè)量所使用主標(biāo)準(zhǔn)器為高精度電子天平和一等玻璃密度計(jì)，主要輔助設(shè)備為溫度傳感器、濕度傳感器、單刻度容量瓶、容量瓶，主要配套設(shè)備為循環(huán)式移動(dòng)水箱、注水平臺(tái)及上下位機(jī)控制器。

金屬量器容量衡量法檢定系統(tǒng)重點(diǎn)由工控機(jī)、PLC數(shù)據(jù)采集器、主標(biāo)準(zhǔn)器（電子天平和一等玻璃密度計(jì)）、主工作臺(tái)、移動(dòng)分離式循環(huán)水箱、注水管路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集儀器儀表組成，總體布局方案如圖3所示。

根據(jù)容量與溫度的關(guān)系，相同量器，溫度不同，容積也不同。溫度升高，量器容積增大；溫度降低，量器容積減小，所以只有在確定的溫度下，測(cè)量金屬量器的標(biāo)稱容積值才有意義。三等金屬量器受溫度變化而產(chǎn)生熱脹冷縮的現(xiàn)象，最終影響容積的變化量，在量傳和實(shí)際貿(mào)易結(jié)算實(shí)驗(yàn)中必須考慮修正因子。

圖3 容量衡量法總體布局方案

0℃時(shí)金屬量器的容積為V0，體膨脹系數(shù)為β，則T℃時(shí)的容積VT為

如果溫度由T1變化到T2，金屬量器容積將由V1變化到V2，忽略β的高次微分項(xiàng)，則：

溫度變化，則金屬量器容積量值就會(huì)變化，如式（7）所示。為統(tǒng)一被檢金屬量器的容積值，必須確定金屬量器的標(biāo)準(zhǔn)溫度。

假設(shè) V1=V20，T1=20℃，則：

標(biāo)準(zhǔn)裝置技術(shù)指標(biāo)為：在測(cè)量范圍1～2000L容量計(jì)量范圍下，其準(zhǔn)確度等級(jí)≤0.05%。

1.3 容量量傳體系所涉及的關(guān)鍵技術(shù)

三等金屬量器在實(shí)際使用時(shí)，很少計(jì)量純潔度很高的介質(zhì)容積，而是貿(mào)易結(jié)算中的各類性質(zhì)的油品，介質(zhì)的污染程度很嚴(yán)重。由于三等金屬量器常用于油品貿(mào)易計(jì)算和流量器具的檢定，所以針對(duì)它的檢定，要頻繁使用文章研究的三等金屬量器容量檢定裝置，實(shí)際檢定（或校準(zhǔn)）過程中對(duì)水箱的污染很嚴(yán)重，所以文章考慮將主體容積檢定和頸部分度容積檢定的循環(huán)水箱分開設(shè)計(jì)。

移動(dòng)式循環(huán)隔離水箱如圖4所示，頸部分度容量標(biāo)定的介質(zhì)水保留在整體水箱的上端，不需循環(huán)，所占體積約為主體循環(huán)水箱容積的1/4～1/3，主體容積檢定水箱位于其下面，配備隔離柵，通過循環(huán)泵，反復(fù)使用，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖4 移動(dòng)式循環(huán)隔離水箱

當(dāng)水的表觀質(zhì)量接近被檢金屬量器的標(biāo)稱容積值時(shí)，液面上升速率很快，如果控制部分出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤，水泵開關(guān)量不變化，繼續(xù)注水，將造成液面高于金屬量器的整體高度，檢定介質(zhì)（水）外溢，實(shí)驗(yàn)失敗。

為解決此問題，采用容量衡量法實(shí)驗(yàn)時(shí)，上位機(jī)控制軟件需要設(shè)定注入介質(zhì)的預(yù)計(jì)值，預(yù)計(jì)值的數(shù)值小于被檢定金屬量器標(biāo)稱值。因?yàn)樗拿芏冉咏?000kg/m3，預(yù)設(shè)值由大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)得到，供日常檢定查表使用。

預(yù)計(jì)值的引入，使得電子天平的表觀量值達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，下位機(jī)控制器發(fā)出指令，控制水泵的數(shù)字開關(guān)量變化，電磁閥斷電，水泵停止工作，依靠水流上沖的加速度，電子秤賦值的表觀質(zhì)量接近標(biāo)稱質(zhì)量，液面達(dá)到理想位置。

表1 三等金屬量器容量衡量法受控實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

三等金屬量器容量檢定裝置是工作量器容量的重要量值溯源標(biāo)準(zhǔn)。通過日常實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，制作控制圖[11]，有效地保障了測(cè)量過程的穩(wěn)定性和可靠度，該數(shù)據(jù)是判斷三等金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置是否處于受控狀態(tài)的技術(shù)文件。

實(shí)驗(yàn)分析采用平均值-極差控制圖[12]記錄三等金屬量器容量檢定裝置的量值傳遞過程，判斷計(jì)量過程是否受到無法控制的隨機(jī)效應(yīng)的影響，數(shù)據(jù)如表1所示。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的平均值及極差控制圖如圖5、圖6所示。

圖5 平均值控制圖

圖6 極差控制圖

依據(jù)各項(xiàng)準(zhǔn)則，對(duì)圖5、圖6中各檢測(cè)點(diǎn)的分布狀態(tài)進(jìn)行評(píng)判，可知三等金屬量器容量檢定裝置量值傳遞過程未出現(xiàn)異常，沒有受到不受控的系統(tǒng)效應(yīng)和不受控的隨機(jī)效應(yīng)的影響，達(dá)到社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)容量量值傳遞中三等金屬量器最大允許誤差為±（0.5～1）×10-3L 的技術(shù)指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語

本文在現(xiàn)階段國內(nèi)外容量計(jì)量量值傳遞技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合中容量計(jì)量的特點(diǎn)，建立的三等金屬量器容量檢定裝置主要解決了檢定介質(zhì)循環(huán)使用、標(biāo)稱容積與頸部分度標(biāo)定介質(zhì)的隔離、衡量法與比較法的精密結(jié)合等問題。

三等金屬量器容量檢定裝置的建立，很好地解決了新疆區(qū)域能源計(jì)量中容量量值傳遞的技術(shù)難題。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，在同等檢定和校準(zhǔn)條件下，三等金屬量器容量檢定裝置系列指標(biāo)能夠公平、公正地為社會(huì)提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)檢測(cè)服務(wù)。

值得后續(xù)繼續(xù)研究的問題是，標(biāo)準(zhǔn)金屬量器作為最基本的容量標(biāo)準(zhǔn)器，無法使用穩(wěn)定的核查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行期間核查，但是可以利用平均值-極差控制圖定期實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)測(cè)量值的平均值、極差變化情況，以此來判斷標(biāo)準(zhǔn)金屬量器容量檢定裝置的測(cè)量過程是否處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)。連續(xù)不斷的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能保證標(biāo)準(zhǔn)裝置的正常量值傳遞工作。但針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)容積超過1000L的金屬量器，由于受到空間和體積的限制，這項(xiàng)工作較為困難，尤其1000L與2000L標(biāo)準(zhǔn)器是現(xiàn)場(chǎng)量傳工作使用頻率最多的設(shè)備，核查實(shí)驗(yàn)尤為重要。

[1]標(biāo)準(zhǔn)金屬量器檢定規(guī)程：JJG 259-2005[S].北京：中國計(jì)量出版社，2005.

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（編輯：李妮）

The research on volume value transfer technology in energy metrology

LI Feng1，2， HE Lunzhi1， TARYER Slafuli2， WANG Shunli2
（1.Xinjiang University，Urumqi 830046，China；2.Xinjiang Institute of Measurement&Testing Technology，Urumqi 830011，China）

In order to solve the accuracy and unification of the volume value in all the links in the exploration， mining ，data analysis and business settlement as well in Xinjiang oilfield， the paper put forward the research on the traceability of the capacity value and standard metal tank plays an important role in the value transfer in energy measurement，taking calibration in metal tank volume as the research object， based on existing verification methods and theoritical calculation， with the help of computer control system， data acquisition and processing technology，the third-class metal-tank volume verification device was developed.Through theoretical analysis in capacity value transfer， combined with volume-weighing method and volume-comparison method，the verification of the three metal tank volume was carried out.Experiment results show that the method is easy in operation and simple in process with high accuracy and good repeatability.

volume measurement;volume-weighing method;volume-comparison method；third-class metal-tank

A

1674-5124（2017）06-0022-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.06.005

2017-01-18；

2017-03-02

國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012QK304）

李 峰（1975-），男，山東青島市人，教授級(jí)高工，博士研究生，研究方向?yàn)橘Y源與環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)、能源計(jì)量、產(chǎn)業(yè)計(jì)量。