液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)及不確定度評(píng)定

洪宇舟

（廣州能源檢測(cè)研究院，廣東 廣州 511447）

由于小流量液體本身的特殊性質(zhì)和測(cè)量設(shè)備的限制，液體小流量的準(zhǔn)確測(cè)量一直是一個(gè)技術(shù)難題[1]。為解決液體小流量測(cè)量的問題，設(shè)計(jì)合理的液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置并對(duì)其不確定度進(jìn)行評(píng)定十分重要。液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮流量范圍、測(cè)量精度和穩(wěn)定性等因素，并采用合適的測(cè)量原理和傳感器進(jìn)行測(cè)量[2]。而不確定度評(píng)定則是對(duì)液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行性能驗(yàn)證的重要環(huán)節(jié)，通過評(píng)定不確定度可以評(píng)估裝置的測(cè)量準(zhǔn)確度和可靠性。該文介紹了液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)及不確定度評(píng)定方法。首先，將詳細(xì)介紹液體小流量的特性和測(cè)量原理，包括流量范圍、流體性質(zhì)以及流量傳感器等。其次，根據(jù)液體小流量的特點(diǎn)，提出一種基于原理的設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)描述裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理[3]。再次，將介紹如何對(duì)液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行不確定度評(píng)定，包括不確定度來源的分析和評(píng)估方法。最后，將討論液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)及不確定度評(píng)定的意義與應(yīng)用前景。

1 目前液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)中的問題

目前，液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)中存在的問題如下：1）流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)不夠精確。在液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中，流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。然而，目前設(shè)計(jì)中的流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在精度不高、穩(wěn)定性差的問題，導(dǎo)致無(wú)法滿足針對(duì)小流量范圍的精確流量調(diào)節(jié)要求[4]。2）換向設(shè)備的切換速度較慢。在液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中，換向設(shè)備用于切換檢定流量。然而，目前設(shè)計(jì)中的換向設(shè)備存在切換速度較慢的問題，導(dǎo)致檢定過程中切換時(shí)間延長(zhǎng)，影響效率和準(zhǔn)確性。3）裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作煩瑣。目前液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)中存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作煩瑣的問題，可能會(huì)導(dǎo)致操作人員難以快速掌握和操作裝置，增加了操作風(fēng)險(xiǎn)，降低了工作效率。

2 液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)及不確定度評(píng)定優(yōu)化

2.1 裝置設(shè)計(jì)原理

設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)表法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是一種常用的方法，用于檢定小口徑水、油流量計(jì)。該裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)液體流量計(jì)、試驗(yàn)管路、穩(wěn)壓液源、循環(huán)系統(tǒng)、控制設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成[5]。設(shè)立原始液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是另一種常用方法，用于檢定小口徑水、油流量計(jì)。該裝置由流量標(biāo)準(zhǔn)器、試驗(yàn)管路、穩(wěn)壓液源、循環(huán)系統(tǒng)、換向設(shè)備、控制設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。采用第二種方案來設(shè)計(jì)用于檢定小口徑水、油流量計(jì)的裝置更合適。該方案的原理更靈活多樣，可適用于不同液體介質(zhì)，并具有較高的準(zhǔn)確度。同時(shí)，它的移動(dòng)性和便攜性使其在不同場(chǎng)地間的使用更方便，可顯著提高檢定效率。因此，設(shè)立原始液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是一種可行且有效的選擇。

2.2 裝置設(shè)計(jì)指標(biāo)

根據(jù)工業(yè)上常用微小流量計(jì)的口徑，該文設(shè)計(jì)了2條檢定管線，分別為DN15mm和DN25mm。為確保這些管線的質(zhì)量和性能，選擇國(guó)標(biāo)304不銹鋼無(wú)縫鋼管作為其制作材料。該材料具有良好的耐腐蝕性和疲勞強(qiáng)度，能夠在長(zhǎng)期使用中保持穩(wěn)定的性能。

為進(jìn)一步提高管線的疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性，對(duì)管線的外表面進(jìn)行噴砂啞光處理。該處理方式能夠增加管線的表面粗糙度，使其更耐用，減少由腐蝕引起的性能下降。

根據(jù)工業(yè)上常用小口徑流量計(jì)的流量范圍，設(shè)計(jì)油裝置的流量范圍為0.2L/h～500L/h。為滿足不同流量范圍的檢定需求，采用2個(gè)體積管為標(biāo)準(zhǔn)器。其中一個(gè)是100mL的體積管，另一個(gè)是8L的體積管。這樣的設(shè)計(jì)能夠覆蓋從較小流量到較大流量的范圍，確保各種流量計(jì)的檢定要求。

根據(jù)最短測(cè)量時(shí)間不低于30s的原則，將100mL體積管的流量范圍設(shè)定為0.2L/h～8L/h，將8L體積管的流量范圍設(shè)定為7.5L/h～500L/h。這樣的設(shè)計(jì)能夠在滿足準(zhǔn)確度等級(jí)1.0級(jí)及以下小口徑流量計(jì)的檢定需求的同時(shí)，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

水裝置的流量范圍設(shè)計(jì)為0.5L/h～1000L/h。為滿足該流量范圍，采用電子秤為標(biāo)準(zhǔn)器，其中一個(gè)是3kg的電子秤，另一個(gè)是15kg的電子秤。同樣根據(jù)不同流量范圍的需求，將3kg電子秤的流量范圍設(shè)定為0.5L/h～100L/h，將15kg電子秤的流量范圍設(shè)定為90L/h～1000L/h。這樣的設(shè)計(jì)能夠滿足被檢表的流量檢定點(diǎn)的需求，并確保裝置的擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.3%（k=2）。

根據(jù)工業(yè)上常用微小流量計(jì)的口徑和流量范圍，設(shè)計(jì)2條檢定管線，并選用適當(dāng)?shù)牟牧虾蜆?biāo)準(zhǔn)器。這樣的設(shè)計(jì)能夠滿足準(zhǔn)確度等級(jí)1.0級(jí)及以下小口徑流量計(jì)的檢定需求，并保證裝置的擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.3%（k=2），為流量計(jì)的準(zhǔn)確測(cè)量和使用提供可靠支持。

2.3 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該裝置的主要組成部分如下：1）儲(chǔ)油箱（儲(chǔ)水箱）。用于儲(chǔ)存待檢液體，并確保流量源的穩(wěn)定供應(yīng)。具有足夠的容量，可滿足長(zhǎng)時(shí)間的檢定需求。2）穩(wěn)壓系統(tǒng)。包括變頻器和穩(wěn)壓罐等設(shè)備，用于控制并穩(wěn)定可調(diào)的流量，以滿足不同流量范圍的檢定需求。變頻器可以根據(jù)需要調(diào)整流量源的輸出速度，穩(wěn)壓罐可確保流量的穩(wěn)定性。3）流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。用于調(diào)節(jié)流量大小，以滿足被檢表的流量檢定點(diǎn)的要求。可以根據(jù)需要改變流量源的輸出，以實(shí)現(xiàn)不同流量范圍的檢定。4）標(biāo)準(zhǔn)稱重（體積管）系統(tǒng)。包括標(biāo)準(zhǔn)體積管和稱重裝置，用于準(zhǔn)確測(cè)量流量，并作為標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行檢定。標(biāo)準(zhǔn)體積管可以精確測(cè)量液體的體積，稱重裝置可以通過質(zhì)量來確定流量。5）換向設(shè)備。采用智能氣動(dòng)換向器，用于切換檢定流量，與檢定時(shí)間和被檢表信號(hào)（脈沖、電流及多媒體）嚴(yán)格同步。能夠快速、準(zhǔn)確地切換流量，確保檢定的準(zhǔn)確性。6）配套管路和各種閥門。用于連接各組件，確保流體的流動(dòng)和控制。這些管路和閥門必須具備良好的密封性和耐壓性，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。7）變頻調(diào)速系統(tǒng)。用于調(diào)節(jié)流量源的輸出速度，以滿足不同流量范圍的檢定需求?？梢愿鶕?jù)需要調(diào)整流量源的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)不同流量范圍的檢定。8）動(dòng)力氣線。用于提供動(dòng)力支持，保證裝置的正常運(yùn)行?？梢酝ㄟ^氣壓或電力提供動(dòng)力，確保各組件正常工作。9）計(jì)量檢測(cè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。采用西門子S7-200 SMART PLC為硬件平臺(tái)，英特爾i5-10500 CPU和64位Windows 10系統(tǒng)為軟件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。該系統(tǒng)用于控制和監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行流量計(jì)檢定和數(shù)據(jù)采集。10）數(shù)據(jù)采集運(yùn)算和管理系統(tǒng)。用于對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并提供結(jié)果輸出和管理功能。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)采集檢定數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算和分析，最終輸出檢定結(jié)果和報(bào)告。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

裝置工藝流程圖如圖2所示。液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是一個(gè)用于檢定、校準(zhǔn)和檢測(cè)不同類型流量計(jì)的設(shè)備，適用于被檢表口徑為DN15mm～DN25mm的流量計(jì)。該裝置具備接收脈沖、電流和電壓輸出信號(hào)的功能，并通過FLUKE 8846A進(jìn)行采集。同時(shí)，無(wú)發(fā)訊示值表頭流量計(jì)的值由海康攝像機(jī)同步拍攝。此外，該裝置還配備了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)自動(dòng)測(cè)控檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行綜合測(cè)量、控制和運(yùn)算處理，并根據(jù)相應(yīng)的檢定規(guī)程和版本格式自動(dòng)生成檢定記錄。這樣就能夠確保檢定過程的準(zhǔn)確性和可靠性。該液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)和功能非常實(shí)用，能夠?qū)Ω鞣N類型的流量計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確檢定和校準(zhǔn)，并能自動(dòng)記錄和處理檢定數(shù)據(jù)，從而提供高效、可靠的檢定結(jié)果。

圖2 裝置工藝流程圖

2.4 裝置不確定度評(píng)定

在不確定度評(píng)定中，該文采用了不同方法來評(píng)估計(jì)時(shí)器、電子秤和換向器的不確定度。為確保評(píng)定的準(zhǔn)確性，分別使用符合準(zhǔn)確度等級(jí)要求的標(biāo)準(zhǔn)流量積算儀、F2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)砝碼和行程差法進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量。

評(píng)估計(jì)時(shí)器時(shí)，將其與標(biāo)準(zhǔn)流量積算儀接入系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量。通過多次測(cè)量并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，可以得到計(jì)時(shí)器的重復(fù)性不確定度。該不確定度被分為2個(gè)部分，分別是A類和B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，表示測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和重復(fù)性。這些不確定度符號(hào)分別為s1和u1。

評(píng)估電子秤時(shí)，使用F2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量。通過多次測(cè)量并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，可以得到電子秤的重復(fù)性不確定度。與計(jì)時(shí)器類似，電子秤的重復(fù)性不確定度也分為A類和B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，符號(hào)分別為s2和u2。此外，還需要考慮砝碼和分辨力引入的不確定度分量，分別為uF和uS。

評(píng)估換向器時(shí)，采用行程差法進(jìn)行換向同步的重復(fù)性測(cè)量。通過多次測(cè)量并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，可以得到換向器的重復(fù)性不確定度。與上述2種設(shè)備類似，換向器的重復(fù)性不確定度也分為A類和B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，符號(hào)分別為s5、s6和u2。

需要注意的是，由于各不確定度分量間是不相關(guān)的，因此可以根據(jù)不確定度傳播率的原理將這些不確定度分量進(jìn)行合并計(jì)算，并得到最終的不確定度評(píng)定結(jié)果，用于評(píng)估測(cè)量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性?？梢允褂萌绻剑?）所示的計(jì)算方法來合成水裝置的不確定度ur。水裝置不確定度見表1。

表1 水裝置不確定度

通過上述計(jì)算方法，可以評(píng)估水裝置的不確定度，并將其作為參考值來比較整個(gè)液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度。該評(píng)定方法能夠提供裝置性能的準(zhǔn)確度，并為準(zhǔn)確測(cè)量提供可靠依據(jù)。再根據(jù)正態(tài)分布計(jì)算水裝置的不確定度，如公式（2）所示。

油裝置的不確定度評(píng)定主要根據(jù)JJG209—2010中關(guān)于體積管重復(fù)性的內(nèi)容。根據(jù)該規(guī)范，油裝置使用計(jì)時(shí)器控制檢定時(shí)間，并采用100mL和8L這2個(gè)體積管為標(biāo)準(zhǔn)器。在考慮現(xiàn)有檢定規(guī)程的限制條件下，該文主要關(guān)注100mL和8L體積管的不確定度，不包括計(jì)時(shí)器引入的不確定度分量。為評(píng)定油裝置的不確定度，使用質(zhì)量法進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量，并使用不同精度的電子秤為標(biāo)準(zhǔn)器。重復(fù)性Er的值見表2。對(duì)體積管進(jìn)行重復(fù)性計(jì)算，直到有限次測(cè)量的體積管標(biāo)準(zhǔn)容積值服從t分布。根據(jù)JJG209—2010規(guī)范中關(guān)于體積管的不確定度評(píng)定方法，體積管的不確定度計(jì)算如公式（3）所示。

表2 油裝置不確定度

式中：uR為體積管的重復(fù)性不確定度；Er為體積管的重復(fù)性；n為重復(fù)測(cè)量的次數(shù)。

計(jì)算100mL和8L體積管的不確定度時(shí)，分別使用相應(yīng)的重復(fù)性值和重復(fù)測(cè)量的次數(shù)。通過該計(jì)算可以得到100mL和8L體積管的不確定度值。取置信概率p=95%，可得k=tp（v）=2.26。因此，油裝置的擴(kuò)展不確定度uro的計(jì)算如公式（4）所示。

根據(jù)上述不確定度評(píng)定方法，可以得出油裝置的不確定度評(píng)定結(jié)果，即擴(kuò)展不確定度uro為0.019%。

3 液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過試驗(yàn)和不確定度評(píng)定，移動(dòng)式液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置已經(jīng)完全符合最初的設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過對(duì)該裝置進(jìn)行一系列測(cè)試和驗(yàn)證，確認(rèn)其性能和準(zhǔn)確性均能達(dá)到預(yù)期要求。該裝置能夠勝任小口徑流量計(jì)的檢定、校準(zhǔn)和檢測(cè)工作。

在試驗(yàn)過程中，首先對(duì)移動(dòng)式液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行功能驗(yàn)證，確保其能夠穩(wěn)定地產(chǎn)生小流量液體，并能夠精確測(cè)量流量值。通過與其他精密標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該裝置的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。其次，進(jìn)行一系列不確定度評(píng)定，以評(píng)估移動(dòng)式液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量結(jié)果的可靠性和精確性。考慮各測(cè)量組件的不確定度分量，包括流量計(jì)、壓力傳感器和溫度傳感器等，將這些不確定度分量進(jìn)行合并計(jì)算，得出最終的不確定度評(píng)定結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

移動(dòng)式液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度值在可接受范圍內(nèi)，并滿足檢定、校準(zhǔn)和檢測(cè)的相關(guān)要求。表明該裝置可以準(zhǔn)確測(cè)量和校準(zhǔn)小口徑流量計(jì)，能為用戶提供可靠的流量測(cè)量服務(wù)，也進(jìn)一步證明了整個(gè)裝置設(shè)計(jì)合理、功能正常。該移動(dòng)式液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置具備對(duì)小口徑流量計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確檢定和校準(zhǔn)的能力，并可以應(yīng)用于各種需要精準(zhǔn)測(cè)量流量的場(chǎng)景。