標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置及測量結(jié)果不確定度分析

張宏廷

中石油煤層氣有限責(zé)任公司計(jì)量檢定站 （陜西 西安 710082）

0 引言

近年來， 隨著煤層氣公司在計(jì)量管理上的日臻完善，越來越多的氣體流量計(jì)需要進(jìn)行檢定。作為公司計(jì)量檢定站責(zé)無旁貸地承擔(dān)起了這項(xiàng)工作， 但是在委外檢定過程中，出現(xiàn)了諸如送檢周期較長、運(yùn)輸過程中可能導(dǎo)致儀表失準(zhǔn)等多方面的問題。 為此建立了一套氣體流量計(jì)檢定裝置。

氣體流量測量是一項(xiàng)較為復(fù)雜的技術(shù)， 被測量氣體的流動狀態(tài)、溫度、壓力等都會引起流量測量結(jié)果的變化。 同時流量計(jì)作為直接統(tǒng)計(jì)產(chǎn)氣量的計(jì)量器具，又要求其必須在規(guī)定的精度范圍內(nèi)運(yùn)行，如果沒有一個統(tǒng)一的流量測量儀表可靠性和準(zhǔn)確度的保證方法，要保證大規(guī)模生產(chǎn)的要求，要保證貿(mào)易的平等互換是不可能的。

目前傳統(tǒng)氣體流量計(jì)的檢定一般采用臨界流噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，該類標(biāo)準(zhǔn)裝置精度高、穩(wěn)定性好。 但其一次投資成本高、占地面積大，噪聲也需要特殊處理。 而標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置成本低、效率高，檢定范圍容易拓寬，能夠滿足一般儀表的精度要求。 目前，隨著自動化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為提高標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度和檢定效率提供了新的技術(shù)手段。 在經(jīng)過多方比較調(diào)研之后，決定采用國內(nèi)某知名廠家的LLH 系列標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)表法裝置），對該套裝置的基本原理及不確定度評定進(jìn)行詳細(xì)地介紹。

1 裝置的組成及工作原理

標(biāo)準(zhǔn)表法裝置選用高精度的羅茨流量計(jì)或渦輪流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)， 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表法裝置檢定規(guī)程，對容積式、渦輪和速度式流量計(jì)進(jìn)行出廠檢定和周期檢定或校準(zhǔn)。

1.1 結(jié)構(gòu)示意圖與組成

標(biāo)準(zhǔn)表法裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)表、羅茨泵、直管段、控制設(shè)備及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成（圖1），本裝置采用的是負(fù)壓標(biāo)準(zhǔn)表法， 其設(shè)計(jì)及檢定的依據(jù)是JJG 643—2003《標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置》設(shè)計(jì)的流量范圍為2.5～400 m3/h， 三個臺位， 可對DN25～DN80 的氣體流量計(jì)進(jìn)行檢定。

1.2 工作原理

標(biāo)準(zhǔn)表法裝置的基本原理是在一段密閉流動的管道上穩(wěn)定（溫度、壓力變化在允許范圍之內(nèi)）運(yùn)行的條件下，依據(jù)質(zhì)量守恒定律，同時記錄標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)的體積流量，經(jīng)溫度、壓力修正后確定被檢表的偏差，再加上標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度，便獲得被檢流量計(jì)的不確定度，如圖2 所示。

圖2 中裝置是負(fù)壓的工作方式， 潔凈空氣在氣環(huán)真空泵的作用下，首先經(jīng)過過濾器進(jìn)入進(jìn)氣罐，然后依次經(jīng)過閥門1、標(biāo)準(zhǔn)表、閥門2、穩(wěn)壓罐、軟管1、前直管段、被檢表、后直管段、軟管2，最后經(jīng)氣環(huán)泵排出。根據(jù)檢定流量的大小，通過自動閉環(huán)調(diào)節(jié)變頻器和流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)來確定流量。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)表法裝置結(jié)構(gòu)示意圖

在檢定過程中， 計(jì)算機(jī)通過PLC 控制器采集，處理標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的溫度、壓力和脈沖信號，根據(jù)公式（1）首先計(jì)算出被檢表的儀表系數(shù)Kvt，然后依據(jù)檢定規(guī)程計(jì)算被檢表的基本誤差和重復(fù)性[1]。

式中：Pt、Psi分別是被檢表和第i 檢定點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)表的壓力，Pa；Nt、Nsi分別是被檢表和第i 檢定點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)表的脈沖數(shù)， 個；Tt、Tsi分別是被檢表和第i 檢定點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)表的溫度，℃；Kvt、Ksi分別是被檢表和第i 檢定點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)表的儀表系數(shù)，1/m3。

圖2 檢定原理圖

2 不確定度分析

設(shè)備安裝完成之后， 為了驗(yàn)證其是否滿足儀表檢定， 在進(jìn)行了一系列重復(fù)性和穩(wěn)定性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對其結(jié)果的不確定度進(jìn)行了評價。

2.1 重復(fù)性試驗(yàn)

選一臺渦輪流量計(jì)，口徑為DN80，測量范圍為2.5～250 m3/h、準(zhǔn)確度為1.5 級。 在重復(fù)性條件下，用本裝置對規(guī)定流量點(diǎn)重復(fù)測量10 次， 得出一組數(shù)據(jù)，再用貝塞爾公式計(jì)算測量重復(fù)性，結(jié)果見表1。

利用重復(fù)性計(jì)算公式，得出上述10 個點(diǎn)的重復(fù)性數(shù)據(jù)分別為：0.002 8；0.054 1；0.055 4；0.032 7；0.129 3。 取其中的最大值s（K）=0.129 3 作為標(biāo)準(zhǔn)裝置的重復(fù)性，根據(jù)JJF 1033—2016《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》[2]， 所得的重復(fù)性應(yīng)小于合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，該裝置的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u=0.32%，s（K）＜u，重復(fù)性滿足要求。

2.2 穩(wěn)定性考核

為了驗(yàn)證累積時間之間的流量穩(wěn)定性， 選定一臺TBQZ-80B 渦輪流量計(jì)，測量結(jié)果（示值誤差）見表2。

2.3 檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度評定

2.3.1 流量計(jì)算的數(shù)學(xué)公式

本標(biāo)準(zhǔn)裝置是以標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)器， 使流體連續(xù)通過被檢流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)， 比較二者一段時間內(nèi)的累積流量值， 從而確定被檢流量計(jì)的計(jì)量性能。根據(jù)氣體狀態(tài)方程，將通過標(biāo)準(zhǔn)表的氣體流量修正到被檢表的溫度、壓力狀態(tài)下的流量，其流量計(jì)算的數(shù)學(xué)公式[3]為：

2.3.2 測量不確定度評定的數(shù)學(xué)模型

不確定度評定數(shù)學(xué)模型見公式（3）：

表1 標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置重復(fù)性試驗(yàn)表 /（m3·h-1）

表2 2017 年標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置穩(wěn)定性考核表 /( m3·h-1)

式（2）、（3）中：Qm、Qs分別為標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的累積流量，m3/h；tm、ts分別為被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表處的溫度測量值，℃；Pa為大氣壓力測量值，kPa；Ps、Pm分別為被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表處的壓力測量值，kPa；Zm、Zs分別為被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表處的壓縮因子；A 為控制系統(tǒng)計(jì)數(shù)值的影響量。

2.3.3 測量不確定度一覽表

標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置合成不確定度主要包括標(biāo)準(zhǔn)表流量值、被檢表處溫度值、標(biāo)準(zhǔn)表處溫度值、大氣壓力值、標(biāo)準(zhǔn)表處表壓力值、被檢表處表壓力值、控制系統(tǒng)計(jì)數(shù)值的影響量、重復(fù)性測量不確定度等（表3）。

表3 測量不確定度一覽表

1）標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)準(zhǔn)確度為0.3 級，按JJG 643—2003《標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程》[4]，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)儀表系數(shù)基本誤差的置信概率為95%，按正態(tài)分布估計(jì)，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：ui(xi)=0.3%/2=0.15%。

2）溫度測量儀表為0.2 級鉑電阻，測量范圍為10～35 ℃，常用溫度為18～22 ℃，最大允許誤差為：最大允差為±0.1 ℃，相對誤差為δ=0.1/（273.15+22）=0.03%。按均勻分布估計(jì)

3）壓力變送器準(zhǔn)確度為0.2 級，測量范圍為0～3 000 Pa，最大允差為3.0 Pa，設(shè)常用差壓值為300～1 000 Pa，最大測量誤差為：Δp=3.0/（101 325-1 000）=0.003%。

4）重復(fù)性測量不確定度分析，選用一臺渦輪流量計(jì)進(jìn)行測量[5]，測量誤差結(jié)果見表4。

表4 測量誤差結(jié)果 /%

S(xi)=0.067 56，ui=0.067 56/2.449=0.026 8

其中，S(xi)為6 次測量誤差結(jié)果的平均值；ui為整套裝置測量誤差結(jié)果的不確定度。

3 檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的驗(yàn)證

選定一臺羅茨流量計(jì)進(jìn)行對比驗(yàn)證， 型號G160，準(zhǔn)確度等級為1.5 級，出廠編號21001966，經(jīng)陜西省計(jì)量科學(xué)研究院（以下簡稱省院）標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定,對比本標(biāo)準(zhǔn)表法空氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，結(jié)果見表5。

由檢定結(jié)果可知， 比對結(jié)果的最大誤差小于其擴(kuò)展不確定度0.32%， 所以此裝置的總不確定度得到驗(yàn)證。

表5 檢定結(jié)果驗(yàn)證

4 結(jié)論

在完成內(nèi)部建標(biāo)的試驗(yàn)之后， 邀請了陜西省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局的相關(guān)專家，對建標(biāo)工作進(jìn)了考核。一致認(rèn)為，所建計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，其裝置配套設(shè)備齊全、環(huán)境條件、檢定人員等符合有關(guān)規(guī)定的要求，原始記錄可由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動生成，檢定結(jié)果經(jīng)不確定度分析、比對、驗(yàn)證等各項(xiàng)指標(biāo)均符合JJF 1033—2016《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》規(guī)定要求，可以開展對1.0 級以下速度式流量計(jì)、 渦輪流量計(jì)氣體流量儀表的檢定和校準(zhǔn)工作。