關(guān)于靜態(tài)法流量計(jì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究

張 祿，楊立宏

（遼寧省大容量計(jì)量站（國(guó)家大容量第一計(jì)量站），遼寧 撫順 113112）

石油及石油產(chǎn)品的出售或購買及商業(yè)性的交接中，計(jì)量的準(zhǔn)確性是非常重要的因素。準(zhǔn)確的計(jì)量可以避免在商業(yè)中的爭(zhēng)端，同時(shí)，也能避免甚至減少重要資源的損耗。在油廠、自來水廠等各種介質(zhì)生產(chǎn)過程中，或其他生活領(lǐng)域，也會(huì)遇到液體流量的測(cè)量問題。因此，持續(xù)保持流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確性是必不可少的[1]。

1 靜態(tài)法流量計(jì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)裝置方法

該系統(tǒng)由靜態(tài)容積法和標(biāo)準(zhǔn)表法組合組成，次裝置既符合靜態(tài)溶劑法的規(guī)范要求也保持了標(biāo)準(zhǔn)表法的規(guī)范要求[2]，可以依據(jù)待檢流量計(jì)自身的精度選擇適合的標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行要求的檢定，也為研究檢定流量計(jì)的新方法提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

靜態(tài)容積法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理是：將待檢流量計(jì)接入到試驗(yàn)管路中，啟動(dòng)液體循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)液體以穩(wěn)定的速度流入待檢流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)工作量器時(shí)，開始計(jì)時(shí)，準(zhǔn)確記錄下流量計(jì)顯示值和記錄下測(cè)量時(shí)間；當(dāng)液體停止流入標(biāo)準(zhǔn)量器時(shí)，流量計(jì)和計(jì)時(shí)器信號(hào)停止采集流量計(jì)信號(hào)和計(jì)時(shí)器信號(hào)。得到標(biāo)準(zhǔn)工作量器中流入液體體積、時(shí)間和流量計(jì)的輸出值，則流量 Q =V/T，從而確定被檢流量計(jì)的計(jì)量特性[3]，本裝置容積法是由精度0.05%標(biāo)準(zhǔn)量器對(duì)被檢流量計(jì)進(jìn)行檢定。

標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置工作原理：將標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)作為計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)器，流體流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的時(shí)間間隔與流經(jīng)待檢流量計(jì)的時(shí)間間隔相同，將兩者得到的值比較，確定待檢流量計(jì)的計(jì)量特性[4]。

本裝置標(biāo)準(zhǔn)表法采用精度等級(jí)優(yōu)于0.2%的電磁流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的量程范圍能夠覆蓋所有被檢流量計(jì)的流量點(diǎn)。

2 標(biāo)準(zhǔn)裝置技術(shù)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)

此標(biāo)準(zhǔn)裝置主要用于校準(zhǔn)或檢定速度式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、質(zhì)量式流量計(jì)等，系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

靜態(tài)容積法裝置不確定度（k=2）：0.05%；標(biāo)準(zhǔn)表法裝置不確定度（k=2）：0.2%。

裝置的流量穩(wěn)定度：0.2%。

流量范圍：5m3/h～1000m3/h（標(biāo)準(zhǔn)表法）；5m3/h～1000m3/h（靜態(tài)容積法）。

檢表口徑：DN50、80、100、150、200、250。

靜態(tài)法流量計(jì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)裝置主要包括：儲(chǔ)水循環(huán)穩(wěn)壓系統(tǒng)、計(jì)量管線系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)器部分和檢定控制系統(tǒng)。

2.1 儲(chǔ)水循環(huán)穩(wěn)壓系統(tǒng)

采用變頻調(diào)速器控制水泵流量及容器穩(wěn)壓雙重穩(wěn)壓系統(tǒng)。供水系統(tǒng)包括地下儲(chǔ)水池、水泵、球閥、蝶閥、撓性接頭、止回閥、穩(wěn)壓罐、消氣過濾器、壓力變送器等，3臺(tái)水泵總流量達(dá)到1000m3/h。

2.2 計(jì)量管線系統(tǒng)

檢定管線為6條，平鋪方式，規(guī)格：DN250（200）、DN 150（100）、DN80（50），其中實(shí)驗(yàn)玻璃直管段為DN 150。每條管線上配有流量計(jì)短節(jié)、球閥、氣動(dòng)夾表器、減震壓力表、檢表回水系統(tǒng)。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)器計(jì)量系統(tǒng)

由氣動(dòng)開式擺動(dòng)噴嘴換向器、球閥、排空管等設(shè)備組成。

2.4 自動(dòng)檢定控制系統(tǒng)

本裝置控制系統(tǒng)采用上、下位機(jī)形式，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

3 標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1 儲(chǔ)水池

地下儲(chǔ)水池容積為250m3，表面積為100m2，深度為2.5m，為保證檢定中水池液面波動(dòng)≤200mm，流速≤0.015m/s的要求，水池內(nèi)設(shè)孔板（使回水能量均布）、擋水墻（氣泡析出、降塵）和積污坑（清理水池）等，以減小池內(nèi)液體的波動(dòng)和氣泡的產(chǎn)生，又能很好降低水池液面波動(dòng)對(duì)泵的吸水口壓力波動(dòng)，提高裝置穩(wěn)定度。水池深度 2.5m，保證吸水時(shí)的過水面積，同時(shí)水池的檢表位置設(shè)置回水孔。

3.2 穩(wěn)壓罐

穩(wěn)壓罐容積為15m3的碳鋼罐，為保證穩(wěn)壓罐輸出流量壓力波動(dòng)穩(wěn)定在0.2%以內(nèi)，穩(wěn)壓罐內(nèi)設(shè)隔板及多層帶孔的網(wǎng)格，使檢定管路的液體完全滿足單相恒定流的要求，裝置中的穩(wěn)壓罐一方面為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的壓力，消除泵源波動(dòng)，同時(shí)消除泵產(chǎn)生大部分氣泡起到消氣的功能。穩(wěn)壓罐并聯(lián)旁路可以任意選擇介質(zhì)通過穩(wěn)壓罐或短路穩(wěn)壓罐，便于比較兩種方式的穩(wěn)壓效果。

3.3 工作量器

裝置采用一個(gè)500m3的立式金屬計(jì)量罐作為容積法的標(biāo)準(zhǔn)器，標(biāo)準(zhǔn)容積是采集液位計(jì)傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)。

選用精度等級(jí)優(yōu)于0.2級(jí)的流量計(jì)組成標(biāo)準(zhǔn)表組，其流量范圍完全能夠覆蓋所有被測(cè)流量計(jì)流量點(diǎn)的檢定。為了擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)表的覆蓋范圍，通過分段標(biāo)定系數(shù)的方法來擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)表量程，且不降低使用精度，裝置的標(biāo)準(zhǔn)表法是采用并連標(biāo)準(zhǔn)表的方式。作為標(biāo)準(zhǔn)表的溯源，通過裝置中的工作量器來保證精度，所選最大口徑的標(biāo)準(zhǔn)表為DN200，所以裝置的容積法可以涵蓋所有標(biāo)準(zhǔn)表的溯源工作。標(biāo)準(zhǔn)表作為“容積法”檢定時(shí)的瞬時(shí)流量指示，同時(shí)又可作為檢定裝置“標(biāo)準(zhǔn)表法”的標(biāo)準(zhǔn)器。

3.4 換向器

本裝置采用的是氣動(dòng)開式擺式噴嘴換向器，為了提高檢定精度，換向器的計(jì)時(shí)器使用了12M的計(jì)時(shí)器，時(shí)間差小于10ms。

3.5 夾表器

夾表器是通過氣動(dòng)方式夾緊待檢流量計(jì)，為了滿足所有待檢表的需求，夾表器的伸出長(zhǎng)度需要達(dá)到200mm以上。

3.6 檢定管線

檢定管線共6條，均為平鋪方式，規(guī)格為DN250、DN200、DN150、DN100、DN80、DN50，各條檢定管路配備相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥，為保證裝置的穩(wěn)定狀態(tài)，降低調(diào)節(jié)所需要的時(shí)間，調(diào)節(jié)閥的線性調(diào)節(jié)范圍需要達(dá)到10%～90%，精度達(dá)到1%。

3.7 變頻調(diào)速系統(tǒng)

本裝置采用PID方式對(duì)流量和壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)大小和控制起止。儲(chǔ)水循環(huán)系統(tǒng)水源為了能夠覆蓋最大流量，通過兩臺(tái)泵的組合方式進(jìn)行提供，其中一臺(tái)水泵始終在變頻狀態(tài)下工作，為補(bǔ)充工頻泵無法達(dá)到的量程。變頻泵在補(bǔ)充工作時(shí)，為了不進(jìn)入死區(qū)及非線性區(qū)，要避免工作在變頻的下限區(qū)域。在流量計(jì)檢定過程中，待檢流量計(jì)的介質(zhì)始終要保持穩(wěn)定狀態(tài)。檢定管路的調(diào)節(jié)閥開度保持不變，待檢流量計(jì)前后的壓差保持穩(wěn)定不變，待檢表流過的流量也是穩(wěn)定不變的。因此，調(diào)節(jié)管路前段的壓力穩(wěn)定才能保持流量穩(wěn)定。

本裝置主要通過穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓和變頻調(diào)壓方式保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，其中穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓屬于二級(jí)穩(wěn)壓系統(tǒng)，不需要自動(dòng)控制，直接通過機(jī)械自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。通過PID算法實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)壓，變頻調(diào)壓能夠直接決定調(diào)節(jié)效果，是系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。

4 裝置不確定度分析

4.1 裝置靜態(tài)容積法不確定度粗算

容積法裝置相對(duì)不確定度公式：

4.1.1 其中s1、u1是計(jì)時(shí)器的不確定度

由于裝置中計(jì)時(shí)器選擇的是12M晶體，則晶振穩(wěn)定度在10-6的數(shù)量級(jí)上，則A類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度S1（%）=0.001，B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度U1（%）=0.0005。

4.1.2 s3工作量器單次測(cè)量A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

允差為 0.05%工作量器標(biāo)準(zhǔn)不確定度（按照矩形分布考慮）。

4.1.3 s5、s6、u4是換向器不確定度

4.1.4 uv是標(biāo)準(zhǔn)兩期相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

假設(shè)選用一等標(biāo)準(zhǔn)量器工作量器進(jìn)行檢定，標(biāo)準(zhǔn)量器允差按照0.01%考慮，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度0.006%。

把以上數(shù)據(jù)帶入裝置不確定公式：

整個(gè)裝置擴(kuò)展不確定度U=ku(k=2)=0.0331%×2=0.0662%

所以整個(gè)裝置擴(kuò)展不確定度≤0.067%（靜態(tài)容積法）；裝置擴(kuò)展不確定度要做到0.05%的話，工作量器精度還得高一些才可以。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)表法不確定度粗算

標(biāo)準(zhǔn)表法裝置相對(duì)不確定度公式：

其中u21，渦輪流量計(jì)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

skj：第j個(gè)檢定點(diǎn)的儀表系數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

Kj：第j個(gè)檢定點(diǎn)的儀表系數(shù)的平均值。

5 結(jié)論

靜態(tài)法流量計(jì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)裝置符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其采用的新技術(shù)與新工藝能夠滿足DN80～DN300多種類型流量計(jì)檢定工作。系統(tǒng)中的變頻穩(wěn)壓方式，利用計(jì)算機(jī)對(duì)檢定系統(tǒng)進(jìn)行操作程控化、采集自動(dòng)化的控制，能夠避免產(chǎn)生人為誤差對(duì)系統(tǒng)的影響，檢定準(zhǔn)確度得到一定提高，檢定精度也得到保障，量值傳遞的可靠性也得到了保證。