基于校準(zhǔn)與測量能力分布探析我國流量計(jì)量研究方向

李夢娜, 李春輝

(中國計(jì)量科學(xué)研究院,北京 100029)

1 引 言

1999年,國際計(jì)量委員會(CIPM)起草互認(rèn)協(xié)議(Mutual Recognition Arrangement,MRA)該協(xié)議旨在建立一個開放、透明的綜合性全球計(jì)量體系,實(shí)現(xiàn)各經(jīng)濟(jì)體(國家或地區(qū))計(jì)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的國際等效,實(shí)現(xiàn)各經(jīng)濟(jì)體計(jì)量院校準(zhǔn)和檢測證書的國際互認(rèn)[1,2],國際計(jì)量局(BIPM)為MRA的主協(xié)調(diào)人。經(jīng)原國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局授權(quán),中國計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)代表我國作為首批簽署者之一加入MRA。近年來,我國獲得國際互認(rèn)的校準(zhǔn)與測量能力(calibration and measurement capability,CMC)數(shù)量顯著提升,截止到2021年1月共計(jì)獲得1 708項(xiàng),位居世界第三[3]。

流量是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要參數(shù),在能源貿(mào)易結(jié)算、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。隨著工業(yè)全球化進(jìn)程加速,流量計(jì)量必將發(fā)揮更加重要的作用。因此,流量領(lǐng)域的CMC發(fā)展,對于實(shí)現(xiàn)我國流量計(jì)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的國際等效,獲得流量領(lǐng)域校準(zhǔn)和測量結(jié)果的國際承認(rèn),支撐我國經(jīng)濟(jì)貿(mào)易、社會和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要[4,5]。

本文通過對各經(jīng)濟(jì)體流量領(lǐng)域的CMC分布統(tǒng)計(jì)和對比分析,得到各經(jīng)濟(jì)體的發(fā)展現(xiàn)狀,進(jìn)而探析流量計(jì)量領(lǐng)域的未來研究方向。本文主要工作包括2個方面：對CMC總數(shù)排名前十的經(jīng)濟(jì)體在流量領(lǐng)域的CMC數(shù)量分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并根據(jù)CIPM下設(shè)的WGFF的流量領(lǐng)域5個關(guān)鍵比對的分類方法,對流量測量各子領(lǐng)域的具體參數(shù),包括原理、流量范圍、不確定度等進(jìn)行比較分析,從而得到各經(jīng)濟(jì)體流量領(lǐng)域的CMC分布和發(fā)展現(xiàn)狀?；谖覈F(xiàn)有流量計(jì)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)裝置的測量能力和不確定度水平,結(jié)合應(yīng)用需求,提出我國流量計(jì)量領(lǐng)域的未來研究方向。

2 各經(jīng)濟(jì)體流量領(lǐng)域的CMC現(xiàn)狀

2.1 各經(jīng)濟(jì)體流量領(lǐng)域的CMC數(shù)量及分布

對目前CMC總數(shù)排名前十的經(jīng)濟(jì)體,即：美國、俄羅斯、中國、德國、韓國、英國、日本、法國、荷蘭、墨西哥,進(jìn)行流量領(lǐng)域的CMC統(tǒng)計(jì)。并根據(jù)關(guān)鍵比對的分類,即水流量(K1)、油流量(K2)、空氣流速(K3)、高壓氣體流量(K5)、低壓氣體流量(K6),得到各經(jīng)濟(jì)體流量領(lǐng)域的CMC數(shù)量分布如圖1所示。

圖1 各經(jīng)濟(jì)體流量領(lǐng)域的CMC分布

2.2 流量領(lǐng)域各子領(lǐng)域的CMC對比分析

基于流量領(lǐng)域的5個子領(lǐng)域的分類,對其流量測量的具體參數(shù),包括原理、測量范圍、擴(kuò)展不確定度U進(jìn)行比較分析,得到各經(jīng)濟(jì)體流量領(lǐng)域的CMC發(fā)展現(xiàn)狀。為便于比較各子領(lǐng)域的CMC的測量范圍,流量單位統(tǒng)一為kg/s,流速單位統(tǒng)一為m/s,測量范圍分布如圖2所示。

圖2 各經(jīng)濟(jì)體流量子領(lǐng)域CMC測量范圍分布圖

2.2.1 水流量領(lǐng)域

覆蓋范圍：水流量領(lǐng)域的CMC數(shù)量位于前3的經(jīng)濟(jì)體為荷蘭9項(xiàng),日本和德國各5項(xiàng)。

流量q范圍：水流量測量的最大值qmax是日本NMIJ的3.333 kg/s,最小值qmin是荷蘭VSL的6.94×10-8kg/s。 水流量測量范圍最寬的是荷蘭, 范圍為6.94×10-8～4.17×101kg/s。

不確定度：各經(jīng)濟(jì)體的最小擴(kuò)展不確定度Umin值集中在0.02%～0.05%;最大值Umax基本在0.10%以下。其中,較大值的是荷蘭VSL的1.41%和法國LNE的0.50%,均出現(xiàn)在微小流量領(lǐng)域的CMC。

我國有4項(xiàng)水流量領(lǐng)域的CMC,測量范圍為3×10-3～5.6×101kg/s,U=0.045%。測量范圍居于中等水平,相對不確定度水平表現(xiàn)較好。測量下限與現(xiàn)有最小值相差近5個數(shù)量級,測量上限與最大值相差近2個數(shù)量級。水流量領(lǐng)域CMC參數(shù)統(tǒng)計(jì)表見表1所示。

表1 水流量領(lǐng)域CMC參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.2.2 油流量領(lǐng)域

覆蓋范圍：油流量領(lǐng)域的CMC數(shù)量位于前3的經(jīng)濟(jì)體為荷蘭6項(xiàng),英國5項(xiàng),德國和法國各4項(xiàng)。

流量范圍：油流量q測量的最大值qmax是法國LNE的5.35×102kg/s,最小值qmin是日本NMIJ的4.40×10-6kg/s。油流量測量范圍最寬的是日本,范圍為4.40×10-6～6.70×101kg/s。

不確定度：各經(jīng)濟(jì)體的最小擴(kuò)展不確定度Umin集中在0.02%～0.05%;各經(jīng)濟(jì)體最大值Umax接近,分布在0.05%～0.1%。

目前我國沒有油流量領(lǐng)域的CMC。油流量領(lǐng)域CMC參數(shù)統(tǒng)計(jì)表見表2所示。

表2 油流量領(lǐng)域CMC參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.2.3 空氣流速領(lǐng)域

覆蓋范圍：空氣流速領(lǐng)域的CMC數(shù)量位于前3的經(jīng)濟(jì)體為日本6項(xiàng),德國5項(xiàng),中國3項(xiàng)。

流速范圍：空氣流速測量的最大值vmax是俄羅斯VNIIM的1.02×102m/s;最小值vmin出現(xiàn)在日本NMIJ和法國LNE,為5.0×10-2m/s。空氣流速測量范圍最寬的是日本,范圍為5.0×10-2～9.0×101m/s;除韓國的測量范圍較小以外,其余各經(jīng)濟(jì)體的測量范圍接近。

不確定度：各經(jīng)濟(jì)體的最小擴(kuò)展不確定值Umin分布在0.09%～1.00%;最大值Umax的差異較大,其中不確定度水平較好的是中國NIM、俄羅斯VNIIM、和德國PTB,分別為0.50%、1.00%和5.45%。相對不確定度值較大的是荷蘭VSL,達(dá)29.80%,另外美國NIST、法國LNE、日本NMIJ也達(dá)到或接近14%。

我國情況：我國有3項(xiàng)空氣流速領(lǐng)域的CMC,測量范圍為1.0×10-1～3.0×101m/s,U=0.20%～0.50%。

我國空氣流速領(lǐng)域測量范圍與位于第一的日本接近,不確定度水平表現(xiàn)最佳。空氣流速領(lǐng)域CMC參數(shù)統(tǒng)計(jì)表見表3所示。

表3 空氣流速領(lǐng)域CMC參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.2.4 高壓氣體流量領(lǐng)域

覆蓋范圍：高壓氣體流量領(lǐng)域的CMC數(shù)量位于前3的經(jīng)濟(jì)體為法國6項(xiàng),德國4項(xiàng),荷蘭和我國各2項(xiàng)。

流量范圍：高壓氣體流量q測量的最大值qmax是荷蘭VSL的3.30×102kg/s;最小值qmin是美國NIST的2.00×10-7kg/s。測量范圍最寬的是美國,范圍為2.00×10-7kg/s～6.48 kg/s。

不確定度：各經(jīng)濟(jì)體的擴(kuò)展不確定度U水平接近,最小值Umin分布在0.025%～0.18%;最大值Umax分布在0.17%～0.40%。

我國有2項(xiàng)高壓氣體流量領(lǐng)域的CMC,測量范圍為5.28×10-6～2.40 kg/s,U=0.08%～0.15%。不確定度水平表現(xiàn)較好,但測量范圍偏小、壓力范圍較小。測量上限與現(xiàn)有最大值相差2個數(shù)量級,測量下限與最小值相差1個數(shù)量級。

高壓氣體流量領(lǐng)域CMC參數(shù)統(tǒng)計(jì)表見表4所示。

表4 高壓氣體流量領(lǐng)域CMC參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.2.5 低壓氣體流量領(lǐng)域

覆蓋范圍：低壓氣體流量的CMC數(shù)量位于前3的經(jīng)濟(jì)體為德國18項(xiàng),日本15項(xiàng),俄羅斯4項(xiàng)。

流量范圍：低壓氣體流量q測量的最大值qmax是德國PTB的8.67 kg/s;最小值qmin是日本NMIJ的1.70×10-10kg/s。測量范圍最寬的是德國PTB,范圍為6.90×10-10kg/s～8.67 kg/s;日本的測量范圍為1.70×10-10kg/s～1.67 kg/s。

不確定度：各經(jīng)濟(jì)體的擴(kuò)展不確定度U水平接近,最小值Umin分布在0.045%～0.15%;最大值Umax分布在0.15%～0.51%。

我國有2項(xiàng)低壓氣體流量領(lǐng)域的CMC,測量范圍為3.56×10-4～4.62×10-1kg/s,U=0.15%～0.17%。測量范圍相對較小,不確定度的水平較好。測量上限與現(xiàn)有的最大值相差1個數(shù)量級,測量下限與最小值相差6個數(shù)量級。

低壓氣體流量領(lǐng)域CMC參數(shù)統(tǒng)計(jì)表見表5所示。

表5 低壓氣體流量領(lǐng)域CMC參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3 我國流量CMC的發(fā)展方向

3.1 傳統(tǒng)流量領(lǐng)域的CMC拓展

3.1.1 微小液體流量

微小液體流量測量在生物醫(yī)療、環(huán)境能源領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。歐洲計(jì)量研究創(chuàng)新項(xiàng)目(European Metrology Programme for Innovation and Research,EMPIR)關(guān)注藥劑輸送等微流量應(yīng)用研究[6,7]。隨著微小流體(microfluidics)概念的提出,流量測量實(shí)驗(yàn)室微型化的研究也在不斷推進(jìn)[8]。近年來,多個國家和地區(qū)的研究機(jī)構(gòu)已陸續(xù)開展微小液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究。瑞士METAS基于稱重原理建立的微小液體裝置,其測量范圍為100 nL/min～1.0 mL/min,U=0.7%～0.15%(k=2),是該領(lǐng)域內(nèi)公開報(bào)道的測量最小值。

我國水流量領(lǐng)域整體處于國際先進(jìn)水平,但測量下限與現(xiàn)有最小值還有一定差距。中國計(jì)量科學(xué)研究院正在研制的微小液體流量裝置,其測量范圍為100 nL/min～100 mL/min,U=3%～0.05%(k=2),該裝置將我國液體流量的測量下限向下延伸近6個數(shù)量級。在未來的研究中,我國應(yīng)進(jìn)一步拓展液體流量裝置的測量能力,尤其是微小液體流量計(jì)量領(lǐng)域的綜合能力。

3.1.2 微小氣體流量

微小氣體流量測量在生物、航空、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的溯源需求日益增加。中國計(jì)量科學(xué)研究院研制了氣體流量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)裝置,建立了較為完整的氣體流量量值傳遞體系[9～11],但在測量范圍的上、下限方面與國際領(lǐng)先水平還存在一定差距,其中測量下限與目前世界最小值相差6個數(shù)量級。目前,微小氣體流量的測量下限方面領(lǐng)先的計(jì)量組織有日本NMIJ,其測量下限為1.70×10-10kg/s,U=0.42%(k=2),以及德國PTB,其測量下限為6.90×10-10kg/s,U=0.13%(k=2)。

中國計(jì)量科學(xué)研究院研究正在研制的活塞式微小氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,壓力范圍為0.1～0.5 MPa,測量范圍為0.02～20 L/min,U=0.2%(k=2)。該裝置將使我國低壓氣體流量的測量下限向下延伸3個數(shù)量級。

未來,我國應(yīng)積極開展與微小氣體流量測量能力領(lǐng)先的計(jì)量機(jī)構(gòu)間的合作研究,進(jìn)一步拓展微小氣體流量的測量能力,提升我國在微小氣體流量領(lǐng)域的國際地位。

3.1.3 高壓氣體流量

高壓氣體流量裝置的壓力范圍是表征其測量能力的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。如圖3所示,目前美國NIST可實(shí)現(xiàn)最大壓力值為7.5±1.2 MPa,德國PTB的壓力范圍為0.8～5.6 MPa,荷蘭VSL的壓力范圍為0.8～6.3 MPa。我國高壓氣體測量壓力范圍為0.1～2.5 MPa。

圖3 高壓氣體流量壓力范圍圖

高壓氣體裝置涉及到安全生產(chǎn)且建設(shè)維護(hù)成本較高,中國計(jì)量科學(xué)研究院的高壓氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可實(shí)現(xiàn)的最高壓力為2.5 MPa[9]與已有標(biāo)準(zhǔn)裝置的壓力最大值相差約6 MPa。因此,高壓氣體流量計(jì)量的壓力上限的拓展,以及高壓氣體裝置比對和測量能力的提升都將是未來重要研究方向。

3.1.4 熱水流量和熱量

熱水是廣泛使用的載熱液體,熱水流量計(jì)量在能源、貿(mào)易結(jié)算方面有著重要應(yīng)用。德國PTB、奧地利BEV已擁有熱水流量以及熱量的CMC。

目前,我國沒有熱水流量、熱量領(lǐng)域的CMC。中國計(jì)量科學(xué)研究院已建有熱水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,并開展熱水流量、熱量測量領(lǐng)域的相關(guān)研究。未來,將進(jìn)一步提升熱水流量及熱量的測量能力,填補(bǔ)我國在該領(lǐng)域的CMC空白。

3.2 化石能源領(lǐng)域的CMC發(fā)展

3.2.1 高壓天然氣及LNG

近年來,中國能源結(jié)構(gòu)持續(xù)演變,中國天然氣年消費(fèi)增長率接近10%。預(yù)計(jì)2017～2040年,天然氣的比重將達(dá)14%[12]。隨著全球范圍天然氣貿(mào)易的快速發(fā)展,天然氣計(jì)量的準(zhǔn)確度對于貿(mào)易結(jié)算、能源消費(fèi)等至關(guān)重要。天然氣計(jì)量屬于高壓氣體流量計(jì)量,德國、法國、美國以及荷蘭均已擁有高壓天然氣測量的CMC。目前,我國正在開展首次高壓氣體流量原級標(biāo)準(zhǔn)裝置、次級標(biāo)準(zhǔn)裝置的比對,未來將大力推進(jìn)天然氣流量測量能力提升的研究,以期盡快取得天然氣計(jì)量的CMC。

液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)作為一種新型的能源,在全球天然氣貿(mào)易中的占比不斷提高,并有望很快超過管道天然氣,引領(lǐng)天然氣行業(yè)的強(qiáng)勢增長。LNG的主要成分為甲烷,是氣態(tài)天然氣經(jīng)壓縮、冷卻后形成的液體。LNG計(jì)量屬于低溫液體計(jì)量領(lǐng)域,美國NIST已有1項(xiàng)低溫液體的CMC,其工作介質(zhì)為液氮。荷蘭VSL,已建成LNG實(shí)流標(biāo)準(zhǔn)裝置。我國是LNG的進(jìn)口大國,其計(jì)量需求日益增長，因此,針對LNG的低溫液體流量計(jì)量的能力急待提升。

3.2.2 石 油

石油與天然氣同屬化石能源領(lǐng)域,全球范圍的石油需求一直穩(wěn)步增長。我國的石油需求也在持續(xù)增長,預(yù)計(jì)2017～2040年將增加19%。石油是烴類流體,屬于油流量計(jì)量的范疇。油流量測量領(lǐng)域包括多種石油產(chǎn)品,如柴油、汽油、煤油等。日本、英國TUVNEL、法國以及荷蘭的油流量測量能力處于領(lǐng)先水平。目前我國還沒有油流量的CMC,相關(guān)研究工作應(yīng)積極推進(jìn)。

3.3 可再生及清潔能源的CMC發(fā)展

3.3.1 水 能

水能的高效利用和合理分配需要流量、流速及流向的準(zhǔn)確測量。目前,瑞士METAS建立了世界最高水平的靜水拖曳法水流速標(biāo)準(zhǔn)裝置,水槽長度為140 m,流速范圍為0.02～10 m/s,并已擁有水流速的CMC。中國計(jì)量科學(xué)研究院已建成水槽長度為8 m的小型靜水拖曳法裝置,并計(jì)劃研制靜水拖曳法水流速標(biāo)準(zhǔn)裝置。同時(shí)開展了基于速度面積法的明渠流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,以及便攜式多聲道超聲法明渠流量現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)器的研究工作[13～15]。相關(guān)研究將保證我國現(xiàn)場水流速測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效,滿足水流速測量的工程需要,更好地服務(wù)于我國的水能應(yīng)用的發(fā)展,從而推進(jìn)水流速領(lǐng)域CMC的發(fā)展。

3.3.2 風(fēng) 能

風(fēng)能是重要的可再生能源,在風(fēng)力發(fā)電中,風(fēng)速和風(fēng)向的測量準(zhǔn)確度是風(fēng)電設(shè)備是否有效運(yùn)行的核心指標(biāo)。目前,依靠風(fēng)杯、超聲風(fēng)速儀實(shí)時(shí)測量來風(fēng)速度及方向的準(zhǔn)確度較低,使得風(fēng)力發(fā)電設(shè)備因無法在最佳工況狀態(tài)運(yùn)行,從而導(dǎo)致發(fā)電效率低下,甚至?xí)斐砂l(fā)電設(shè)備的損壞。因此,空氣流速領(lǐng)域中風(fēng)速的測量準(zhǔn)確度至關(guān)重要。

中國計(jì)量科學(xué)研究院建立了以激光多普勒測速儀(laser Doppler velocimeter,LDV)為標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)速計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置[16],自主研制了可調(diào)速轉(zhuǎn)盤校準(zhǔn)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)LDV的標(biāo)定,從而保證風(fēng)力發(fā)電中風(fēng)速的準(zhǔn)確度。隨著風(fēng)能的應(yīng)用的快速發(fā)展,我國應(yīng)進(jìn)一步促進(jìn)空氣流速領(lǐng)域CMC的發(fā)展,更好地實(shí)現(xiàn)風(fēng)電風(fēng)場標(biāo)定系統(tǒng)的溯源,推進(jìn)現(xiàn)場風(fēng)電測風(fēng)儀器的在線校準(zhǔn),從而優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電設(shè)備,提高風(fēng)能發(fā)電的效率。

3.3.3 氫 能

氫能是公認(rèn)的最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。氫燃料電池技術(shù),是燃料與氧化劑的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電裝置,體積小能量大,高效且無污染。

高壓氣體流量計(jì)量在氫能的儲存、運(yùn)輸、貿(mào)易結(jié)算等環(huán)節(jié)有著重要應(yīng)用。特別是在氫儲存方面,目前最常用且相對成熟方式是高壓氣態(tài)儲氫。此外,加氫站(hydrogen refueling station,HRS)的計(jì)量校準(zhǔn)也是氫能計(jì)量的重要方向。隨著全球范圍氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,氫能計(jì)量需求也迅速增加。日本率先于2005年就已經(jīng)開展氫能相關(guān)測量的研究。美國、瑞士也分別從2015年、2019年著力推進(jìn)氫能計(jì)量的研究,德國于2020年發(fā)布《國家氫能戰(zhàn)略》以支持氫能計(jì)量的研究。因此,進(jìn)一步加速開展我國氫能計(jì)量的研究工作,對于支撐我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,提升我國在氫能技術(shù)領(lǐng)域的國際水平有著重要意義。

4 結(jié) 論

本文通過對比分析各經(jīng)濟(jì)體流量領(lǐng)域的CMC發(fā)展現(xiàn)狀,探析了流量計(jì)量領(lǐng)域未來的研究趨勢。此外：針對我國流量領(lǐng)域的CMC現(xiàn)狀,探討了我國流量計(jì)量未來研究方向。得到的主要結(jié)論包括：

1) 在流量領(lǐng)域,我國在水流量、空氣流速、氣體流量的CMC整體處于領(lǐng)先水平,能力綜合表現(xiàn)好。但水流量和氣體流量測量的上、下限與國際領(lǐng)先的經(jīng)濟(jì)體還存在明顯差距,特別是在測量下限方面,需進(jìn)一步提升。

2) 傳統(tǒng)流量領(lǐng)域CMC可拓展的方向主要包括：微小液體流量、微小氣體流量、高壓氣體流量及熱水流量和熱量的計(jì)量等領(lǐng)域。

3) 基于能源領(lǐng)域的應(yīng)用需求分析,化石能源中的高壓天然氣及低溫LNG計(jì)量,石油產(chǎn)業(yè)的油流量計(jì)量,以及可再生能源領(lǐng)域的水流速、空氣流速計(jì)量,和清潔能源領(lǐng)域的氫能計(jì)量也將是未來重要的研究方向。

本文的研究結(jié)果為流量計(jì)量關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)檢定和校準(zhǔn)規(guī)程、規(guī)范的制定提供有利支撐。同時(shí),研究結(jié)果對于我國流量計(jì)量未來能力提升,包括原級標(biāo)準(zhǔn)的不確定度提升和次級標(biāo)準(zhǔn)的測量范圍拓展,量值傳遞方法研究的開展,國內(nèi)量值傳遞體系的建立也有著重要意義。進(jìn)一步研究將對流量領(lǐng)域的CMC與對應(yīng)的關(guān)鍵比對(Key comparisons,KCs)和輔助比對(Supplementary comparisons,SCs)進(jìn)行綜合分析,從而更好地實(shí)現(xiàn)我國流量領(lǐng)域國家基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的國際等效,以及校準(zhǔn)與檢測能力的國際互認(rèn)。