实现自核查功能的标准表法气体流量标准装置

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近十年来，随着我国相应技术法规和量值溯源系统的完善，标准表法气体流量标准装置 (以下简称装置”)得到迅速发展，该类装置以其高效率、宽范围、较高的准确度等特点，已经成为大流量高低压气体流量计检定/校准的主流装置。上海工业 自动化仪表研究院于2011年研制了-套标准表法气体流量标准装置，该装置采用了I临界流文丘里喷嘴和气体涡轮流量计两套标准表系统，临界流文丘里喷嘴系统流量范围：(1～4095)m /h，气体涡轮流量计系统流量范围：(160-3600)In /h，两套标准表系统可以独立使用，在重叠流量范围内，利用核查标准器，在原位即可轻松实现自核查功能，确保装置运行的准确可靠，同时两套标准表系统还可以并联使用，扩展整套装置的量程至 (1～7500)In /h。该装置已申请了实用新型专利。

1 装置工作原理与构成1.1 工作原理装置以具有优良重复性及稳定性的临界流文丘里喷嘴和标准涡轮流量计组合使用作为标准器，喷嘴与流量计分别安装在带有独立控制阀的管道上，通过计算机控制阀门的启闭实现两套标准表的组合方式以及装置总流量大胸制。以纯净空气为气源，采用风机和真空泵产生负压，气体由试验管路人口吸入，在相同时间间隔内使气体连续通过被检气体流量计和标准器，排人大气，通过比较两者的输出值，从而确定被检流量计计量性能 。

1.2 装置构成装置主要由标准器组件、管路系统、气源系统、测量与控制系统组成，如图 1所示。

标准器组件：由临界流文丘里喷嘴组与 3台标准涡轮流量计组成。两套标准表可独立使用，在重叠的流量范围内 (160～3600)m /h，利用两套标准表实现装置的自核查功能，确保装置准确可靠运行；同时两套标准表又可并联使用，扩展量程，使整套装置的流量范围覆盖：(1-7500)m /h。

管路系统：包括气源管路、标准表管路和被检流量计管路。气源管路与标准表管路衔接处采用柔性接头连接，以减小气源部分机械振动的传人。临界流喷嘴采用大空间的安装方式，l3支临界流喷嘴设计为两个临界流喷嘴组件：并排式和圆柱体式，每个组件均设置了足够大的滞止容器。被检流量计管路配置足够长的前后直管段，为了调整气体流尝减少流阻和降低噪音，管道人口采用喇叭形入口。

气源系统：装置采用负压法，根据标准表类型，设置了风机和真空泵，以满足检测对气源的要求。按照临界流文丘里喷嘴组件不同的流量范围分别使用真空泵和大流量多级离心式鼓风机，在满足喷嘴背压比的前提下降低能耗。三台涡轮标准表共用两台变频风机，变频风机自动流量调整范围为(160～3600)m。/h。

所有风机、真空泵集中于泵房间，与装置隔离 ，并且对装置排气口和泵房间进行了特殊的消音降噪处理。

测量与控制系统：为满足高精度 自动检测与控制的要求，采用带有 HART协议的现场总线高精度仪表[收稿日期]2013-03-05[作者简介]宋延勇 (1983-)，男，安徽定远人，工程师，硕士研究生，毕业于上海理工大学，从事热工仪表检测校准技术与装置研究。

. 18· Industrial Measurement 2013 VOI.23 No.4FLOW MEASUREMENT 量 量图 1 气体流量标准装置组成图如温度、压力、湿度传感器、时间数据采集器，可通过信号控制的变频器、调节阀等。采用两级分层测控系统，PLC作为下位机执行现场各类仪表数据采集与控制，Pc作为上位机，采用组态软件编程，满足系统级的控制与管理功能要求，实现不同类型与流量范围流量计的自动检测控制，并完成数据处理、保存、显示以及报表生成与打樱2 装置的量值溯源与不确定度评定2.1 量值溯源标准表系统采用了标准涡轮流量计和临界流文丘里喷嘴两种类型的标准表。临界流文丘里喷嘴溯源至中国计量科学研究院 pVTt法气体标准装置，标准涡轮流量计溯源至上海仪器仪表 自控系统检验测试所(SITIAS)钟 罩标 准装 置。量 值溯 源框 图如 图 2所示。 。

2.2 装置不确定度评定依据JJF 1240-2010《临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准规范》和 JG 643-2003《标准表法流量标准装置》对装置的测量不确定度进行分析和评定。

(1)文丘里临界流喷嘴测量不确定度装置在使用时，将根据所测的流量使用单个、两工业计量 2013年第 23卷第4期名称离心风机变频器真空泵滞止容器电动蝶阀电动调节阀蝶阀温度变送器压力变送器音速喷嘴囤 个或多个临界流喷嘴组合。临界流喷嘴得到瞬时质量流量，根据质量守恒，与被检表处的质量流量相等，通过测温、测压，计算出被检表处的气体密度，进而得到标准的体积流量及累积体积 。

装置累计体积流量：单个临界流喷嘴的体积流量为：g A。x C，x C，× 0 ×36。。×(2)其中：.i 1 c。：(O.25O.04732竹)而RH船A 0.127828 -0.789422 1.63166f-1.128l8B -0.000288749 -0.00191022 0.00569536-0.0719995bP0式中：q 为体积流量，m /h；A。为临界流喷嘴喉部的横截面积，m ；C 为流出系数；C为实际气体临界流函数；P。为临界流喷嘴入口处气体的绝对滞止压Ⅸ v T P FLOW MEASUREMENT上 中国计量科学研究院 上海仪器仪表检验测试所- - pVTt法气体流量标准装置 钟罩气体流量标准装置级 rO.11300)mVh (801200)m3/h计 U-- O.05%.k2 UO.2O%.k2 量器具l 蛤审 蛄噼七壮肥 j 仪 f臣 目 fZi本 级计 标准表法气体流量标准装置量 测量范围(175oo)m /h器 U0.25%。k-2具检定或校准方法下- - J 准确度等级：0.5级以下级 浮子流量计 涡轮流量计计 量 涡轮流量计 差压式流量计器 超声波流量计 速度式流量计具 膜式燃气表 标准煤气表气体容积式流量计图2 量值溯源图力，Pa；To为临界流喷嘴入 口处气体的滞止温度，K；P为被检流量计处气体压力，Pa；T为被检流量计处气体温度，K；Z为被检流量计处气体压缩系数，常压下近似为 1；R为通用气体常数，R8.31441J·mol-·K～； 为空气的摩尔质量，M0.028964kg·mol～；k 为湿度修正系数，使用 GB/T 21188中的湿度修正公式计算；空气中 CO 中所占的摩尔分数 (未知，取值0.0O4)；RH为空气的相对湿度，%； 为临界温度， 132.5306K；P 为临界压力，P 3.786MPa。

临界流喷嘴流出系数 c 的计算中已经考虑了A、c。的测量不确定度，在此我们不再重复考虑上述项的影响，压缩 系数 的不确定度很小，可以忽略4。以上各量相互独立，根据不确定度评定与表示的方法，可以得到单个临界流喷嘴体积流量的相对不确定度为：Ur(9 )u 0.25UroM2 。2 ， ； (3)式中： ，为临界流喷嘴流出系数的相对标准不确定. 20 ·度；Uro为临界流喷嘴滞止温度测量的相对标准不确定度；Urpa为临界流喷嘴滞止压力测量的相对标准不确定度；u 为被校流量计处温度测量的相对标准不确定度； 为被校流量计处压力测量的相对标准不确定度。

考虑各临界流喷嘴流量间的相关性及其相应的灵敏度系数，临界流喷嘴部分的合成不确定度为：‰(Q )msx[ (g )] u： (4)式中：max[u (q )]为各临界流喷嘴中最大的相对标准不确定度；u 为计时器的相对标准不确定度。

/Z ：[ u ] (5)式中： 为计时器的 A类标准不确定度；u 为计时器的 B类标准不确定度。

(2)标准涡轮流量计测量不确定度依据 JJG 643-2003《标准表法流量标准装置》6.2.6标准装置合成标准不确定度计算方法，标准涡轮流量计部分测量不确定度为： max(u ) ：∑ ∑噍 (6)式中：max( ， )为标准涡轮流量计中最大的相对标准不确定度；Urt为计时器的相对标准不确定度；/Zrp为被l校表或标准涡轮流量计前的压力测量不确定度；u为被校表或标准涡轮流量计前的温度测量不确定度。

温度、压力测量不确定度所引起的流量测量不确定度不超过标准装置扩展不确定度的 1/5，依据 JG6432003，可以不考虑温度、压力测量不确定度。

在计算中为了得到装置可能的最大不确定度，将温度和压力的影响也计算在其中。

(3)装置总不确定度装置中所使用的温度、压力仪表，计时器都经过SITIAS校准，表 1、表 2分别给出了温度、压力以及计时器的不确定度结果，用于合成到装置总的测量不确定度中 。

表 1 温度、压力仪表测量不确定度表表 2 计时器稳定度及测量不确定度表IndustriaI Measurement 2013 Vo1.23 No.4FLOW MEASUREMENT 量 量(作为标准器使用的3台标准涡轮流量计，流量范围160～1600m /h，经由钟罩式气体流量标准装置校准。校准结果见表3。

表3 标准涡轮流量计校准结果表在使用标准涡轮流量计校准被检表时，最多四台计时器同时使用，所以将四台计时器的不确定度全部按式 (6)合成到装置的标准涡轮流量计部分的测量不确定度中得：u1 O.00119装置中使用的临界流文丘里喷嘴由 pVTt气体流量表标准装置校准，校准结果给出了装置中用到的 13个临界流文丘里喷嘴流出系数及其不确定度，结合表4和式 (3)及式 (4)得：M 0.ooO8O2，日n表4 临界流文丘里喷嘴校准结果表在该装置中，当需要标定大流量仪表时，临界流文丘里喷嘴与标准涡轮流量计并联工作，扩大流量，所以采用临界流喷嘴部分和标准涡轮流量计部分的最大测量不确定度作为装置的总的不确定度。

M 1max( ，M f)0.00119所以 U 10.0024(k2)装置的扩展不确定度为 U 0.24% (k2)。

工业计量 2013年第23卷第4期3 自核查功能的实现由于工作中标准涡轮流量计的高速旋转，需要经常核查 (或校准)，才能保持其高准确度 J。装置中两套标准表系统可独立使用，临界流文丘里喷嘴系统流量范围完全覆盖标准涡轮流量计的流量范围，而且由于两套标准表是完全不同的类型，有各 自独立的量值溯源体系。因此可利用两套标准表系统实现装置的自核查，采用核查标准器，不定期实施核查，确保装置准确可靠运行。虽然临界流喷嘴的临界压力比低，能耗较大，但是喷嘴具有准确度高、性能稳定、体积孝检定周期长 (5年)等特点，所以利用两套系统并联使用，扩展测量范围，使整套装置的流量范围覆盖 ：1～7500m /h。

我们以-台上海埃尔斯特有限公司生产的标准涡轮流量计作为核查标准表，对两套标准表系统进行了核查，试验结果完全符合要求，数据如表 5。

表5 装置自核查数据表4 结束语该装置 2011年通过了中国计量科学研究院的检定，并投入使用。实践证明，。这种具有实用性和可操作性的自核查功能，为装置的长期可靠运行提供了有效保证。