水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置比對(duì)實(shí)驗(yàn)研究

（浙江省計(jì)量科學(xué)研究院 國家液體流量計(jì)量器具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018）

水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是流量單位量值統(tǒng)一與傳遞的標(biāo)準(zhǔn)，主要用于檢測(cè)、校準(zhǔn)和檢定流量?jī)x表的準(zhǔn)確度、重復(fù)性、線性度等流量參數(shù)，是研究和應(yīng)用流量計(jì)量和測(cè)試技術(shù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。通常情況下，實(shí)驗(yàn)室使用的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置有多套，多套間的規(guī)格口徑及量范圍相互銜接。為了保證多套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在相鄰2次檢定或校準(zhǔn)期間使用的置信度，非常有必要對(duì)多套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行裝置間比對(duì)，以保證水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在測(cè)量過程中處于受控狀態(tài)，確保檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的質(zhì)量[1-2]。

比對(duì)是按照預(yù)先規(guī)定的條件，對(duì)相同或類似的測(cè)量對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)，從而確定測(cè)量對(duì)象間存在的差異，判斷測(cè)量對(duì)象的一致性。水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置比對(duì)一般是在參比條件下，采用性能穩(wěn)定的流量計(jì)對(duì)多套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置傳遞的量值進(jìn)行測(cè)量，確定多套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置量值傳遞的一致性[3]。由于水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度較高，因此比對(duì)時(shí)選用的流量計(jì)必須具有較高的準(zhǔn)確度、測(cè)量重復(fù)性和穩(wěn)定性，以保證比對(duì)結(jié)果的可靠性。

渦輪流量傳感器是一種速度式流量測(cè)量?jī)x表，具有重復(fù)性好、穩(wěn)定性高、放大電路漂移較小等優(yōu)點(diǎn)，因此在液體流量測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用及研究[4-7]。

本文將以渦輪流量傳感器作為量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)規(guī)格口徑為DN50～DN100和DN125～DN400的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部比對(duì)。并對(duì)渦輪流量傳感器作為量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行裝置比對(duì)進(jìn)行研究，提出了渦輪流量傳感器加裝前后直管段的整體平移式安裝方法，基于該方法進(jìn)行了儀表系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，取得了較好的測(cè)量結(jié)果，同時(shí)根據(jù)比對(duì)控制模型驗(yàn)證水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置量值的一致性及量值傳遞的可靠性。

1 理論依據(jù)

1.1 渦輪流量傳感器儀表系數(shù)模型

渦輪流量傳感器一般由流量傳感器和放大器兩部分組成。當(dāng)流體以一定的流量流過渦輪流量傳感器時(shí)，流量傳感器中的渦輪葉片在水流作用下旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)速度與流過流量傳感器的流量大小成正比。渦輪葉片旋轉(zhuǎn)頻率信號(hào)通過磁電耦合傳遞給放大器，經(jīng)由放大器放大后即可得到渦輪流量傳感器的流量測(cè)量頻率信號(hào)，故有：

式中：f為測(cè)量得到的渦輪流量傳感器頻率；k為渦輪流量傳感器儀表系數(shù)；q為渦輪流量傳感器的流量。由式（1）可以得到渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)為

一般情況下，渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)由水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)定得到。而實(shí)際利用水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（裝置與渦輪流量傳感器獨(dú)立計(jì)時(shí)計(jì)頻）標(biāo)定時(shí)，得到的是時(shí)間段t1內(nèi)的渦輪流量傳感器頻率輸出的累積脈沖數(shù)N和時(shí)間段t2內(nèi)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的累積流量V，所以有：

式中：N為渦輪流量傳感器在時(shí)間t1內(nèi)的累積脈沖數(shù)；t1為標(biāo)定渦輪流量傳感器時(shí)的脈沖累積時(shí)間；V為水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在時(shí)間t2內(nèi)的累積流量；t2為水流標(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)定渦輪流量傳感器時(shí)的累積時(shí)間。

由式（3）和式（4）可以得到：

將式（5）和式（6）代入式（2）可得到：

式（7）為利用水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)定渦輪流量傳感器時(shí)儀表系數(shù)模型。

1.2 重復(fù)性計(jì)算模型

在某一流量點(diǎn)下，由水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置重復(fù)測(cè)量得到的渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)分別為k1，k2，k3，…，kn，則該流量點(diǎn)下渦輪流量傳感器的平均儀表系數(shù)為

結(jié)合式（8），可以得到渦輪流量傳感器在上述流量點(diǎn)下的儀表系數(shù)測(cè)量重復(fù)性為

式中：δ為渦輪流量傳感器在某一流量點(diǎn)下儀表系數(shù)的測(cè)量重復(fù)性。

1.3 比對(duì)控制模型

采用渦輪流量傳感器作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行比對(duì)時(shí)，通常是利用參與比對(duì)的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在相同的流量點(diǎn)下重復(fù)測(cè)量（測(cè)量次數(shù)不少于6次）得到渦輪流量傳感器的平均儀表系數(shù)kˉ1和kˉ2，然后建立儀表系數(shù)與裝置不確定度之間的控制模型，根據(jù)控制模型判斷水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的置信度。 根據(jù)在不同裝置上得到的儀表系數(shù)和，可以得到：

令：

式中：En為比對(duì)控制數(shù)值，無量綱，如果En≤1，則表示比對(duì)結(jié)果符合要求，如果En＞1，則表示比對(duì)結(jié)果不符合要求，應(yīng)及時(shí)解決出現(xiàn)該結(jié)果的問題；U1為參與比對(duì)的其中一套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度；U2為參與比對(duì)的另一套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度。

2 傳遞標(biāo)準(zhǔn)的安裝設(shè)計(jì)

利用渦輪流量傳感器對(duì)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行比對(duì)時(shí)，作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)的渦輪流量傳感器需要在參與比對(duì)的不同的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上分別進(jìn)行安裝，然后利用水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)其進(jìn)行儀表系數(shù)測(cè)量。如果將渦輪流量傳感器在參與比對(duì)的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上直接安裝，則無法保證安裝的重復(fù)性，給比對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)帶來較大誤差，無法較好地保證裝置比對(duì)結(jié)果。

為保證渦輪流量傳感器在不同水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上安裝的重復(fù)性，消除安裝帶來的誤差，本文提出渦輪流量傳感器加裝前后直管段的整體平移式安裝方法。首先將渦輪流量傳感器固定在同口徑的兩段直管段中間，其中固定在渦輪流量傳感器進(jìn)水端的直管段（簡(jiǎn)稱前直管段）長(zhǎng)度不小于10 D（D為直管段內(nèi)徑），固定在渦輪流量傳感器出水端的直管段（簡(jiǎn)稱后直管段）長(zhǎng)度不小于5 D；然后，將渦輪流量傳感器連同前、后直管段作為一個(gè)整體安裝在參與比對(duì)的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上。

3 實(shí)驗(yàn)裝置及條件

參與比對(duì)實(shí)驗(yàn)的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置如圖1所示，主要由動(dòng)力設(shè)備、水源穩(wěn)壓設(shè)備、前直管段、實(shí)驗(yàn)段、后直管段、背壓管段、開式換向器及工作量器八部分組成。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為水，實(shí)驗(yàn)中水由水泵導(dǎo)入水源穩(wěn)壓裝置，經(jīng)過穩(wěn)壓裝置穩(wěn)定后經(jīng)過一個(gè)足夠長(zhǎng)的直管段，然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，再經(jīng)過一個(gè)足夠長(zhǎng)的后直管段及背壓管段，最后通過雙分流器開式換向器進(jìn)入工作量器。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Structure diagram of the experiment system

比對(duì)實(shí)驗(yàn)采用的渦輪流量傳感器口徑為DN100，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)；實(shí)驗(yàn)的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置規(guī)格口徑為DN50～DN100和DN125～DN400，擴(kuò)展不確定度均為0.05%；實(shí)驗(yàn)的流量范圍為25～160 m3/h；穩(wěn)壓容器壓力為0.3 MPa；水的密度為998 kg/m3；實(shí)驗(yàn)介質(zhì)溫度為常溫。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先將渦輪流量傳感器連同前、后直管段作為一個(gè)整體安裝在規(guī)格口徑為DN50～DN100的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上， 并在 25 m3/h、32 m3/h、64 m3/h、160 m3/h 4個(gè)流量點(diǎn)下進(jìn)行儀表系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，每個(gè)流量點(diǎn)下的儀表系數(shù)重復(fù)測(cè)量6次；其次將渦輪流量傳感器連同前、后直管段作為一個(gè)整體安裝在規(guī)格口徑為DN125～DN400的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上，在相同的測(cè)量條件下，對(duì)渦輪流量傳感器進(jìn)行儀表系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)；第三根據(jù)上述2套裝置上實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，結(jié)合儀表系數(shù)計(jì)算模型、重復(fù)性計(jì)算公式及比對(duì)控制模型可以得到各對(duì)應(yīng)流量點(diǎn)下的單次儀表系數(shù)、單點(diǎn)儀表系數(shù)、單點(diǎn)重復(fù)性和比對(duì)控制數(shù)值（無量綱）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 渦輪流量傳感器儀表系數(shù)Fig.2 Instrument coefficient of turbine flowmeter

圖3 渦輪流量傳感器重復(fù)性Fig.3 Repeatability of turbine flowmeter

圖4 En控制值Fig.4 Value of En

由圖2～圖4可以看出：

1） 由規(guī)格口徑為 DN50～DN100和 DN125～DN400的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量得到的渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)在相對(duì)應(yīng)的流量點(diǎn)下，具有相同的變化趨勢(shì)，說明渦輪流量傳感器具有高的穩(wěn)定性；另外2套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上測(cè)量得到的渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)在相同的流量點(diǎn)上大小基本一致，說明2套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置具有較小的臺(tái)位差。

2） 在規(guī)格口徑為 DN50～DN100和 DN125～DN400的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上測(cè)量得到的渦輪流量傳感器的各流量點(diǎn)的儀表系數(shù)測(cè)量重復(fù)性均比較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.5級(jí)渦輪流量傳感器要求的測(cè)量重復(fù)性 （0.5級(jí)渦輪流量傳感器儀表系數(shù)的測(cè)量重復(fù)性要求為小于最大允許誤差絕對(duì)值的1/3，即0.17%），說明渦輪流量傳感器具有較好的重復(fù)性。

3）由渦輪流量傳感器作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)得到的規(guī)格口徑為DN50～DN100和DN125～DN400的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置比對(duì)控制值En均小于1，比對(duì)結(jié)果符合要求，2套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置保持了較高的量值傳遞一致性；對(duì)比控制值En隨流量的增大而減小，說明流量越小，由不同水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量得到的渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)相差越大，因此利用渦輪流量傳感器進(jìn)行裝置比對(duì)時(shí)，最好在渦輪量傳感器的中高流量點(diǎn)上進(jìn)行，這樣得到的比對(duì)結(jié)果將會(huì)更可靠。

4）上述渦輪流量傳感器的測(cè)量結(jié)果及裝置的比對(duì)結(jié)果，進(jìn)一步證明了渦輪流量傳感器具有很好的穩(wěn)定性、測(cè)量重復(fù)性，可以作為量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行比對(duì)。

5 結(jié)語

本文在給出渦輪流量傳感器儀表系數(shù)模型、重復(fù)性計(jì)算模型及比對(duì)控制模型的基礎(chǔ)上，提出了裝置比對(duì)中對(duì)渦輪流量傳感器加裝前后直管段的整體平移式安裝方法。采用準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)的渦輪流量傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部2套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行了比對(duì)研究，取得了較好的比對(duì)研究結(jié)果。

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