科氏質(zhì)量流量計標準表法水流量標準裝置

0 引言

隨著(zhù)人們對產(chǎn)品質(zhì)量、工藝控制、生產(chǎn)流程和成本控制的要求越來(lái)越高，越來(lái)越多高精度、高性能的流量計產(chǎn)品進(jìn)入到各個(gè)領(lǐng)域。如何保證這些高精度流量計產(chǎn)品的準確性，對生產(chǎn)企業(yè)的計量工作提出了更高的要求。如何建立高精度、高可靠性、高效率的流量校準裝置，已經(jīng)成為計量工作中的重要一環(huán)。

容積法和稱(chēng)重法流量校準裝置由于其便于溯源，基準較易獲得，故在國內的應用時(shí)間較長(cháng)，并廣泛用于企業(yè)和實(shí)驗室。但該型系統存在效率低，測量時(shí)間長(cháng)，維修維護困難，易受干擾，適用范圍窄，成本高，隨著(zhù)管線(xiàn)尺寸的增加，投資和系統尺寸成倍增加，對于流量計生產(chǎn)企業(yè)或測試任務(wù)繁重的實(shí)驗室，已越來(lái)越難以滿(mǎn)足他們的需求。

標準表法適應范圍寬，抗干擾能力強，效率高，可靠性高，已得到越來(lái)越多企業(yè)和實(shí)驗室的認可。本文介紹一種采用Emerson公司旗下MicroMotion生產(chǎn)的CMF系列高精度質(zhì)量流量計的標準表法流量校準裝置。

1 標準表法水流量標準裝置的組成

標準表法水流量標準裝置，即是指一種采用流量計作為計量基準，使流體在相同時(shí)間間隔內連續通過(guò)標準流量計和被檢流量計，通過(guò)比較兩者的輸出流量值，從而確定被檢流量計的計量性能。由于標準標法流量裝置可以實(shí)現連續流，不需要使用換向器和啟停閥門(mén)，從而大大減少了系統的設計難度，尤其是換向器，消除了換向器設計制造誤差而引入的流量測量誤差。另一方面，由于實(shí)現了連續流，故而該裝置在保證直管段的條件下也可直接用于測量電磁、渦街、超聲等其他多種流量計，拓寬了使用范圍，提高了使用效率，簡(jiǎn)化了現場(chǎng)操作。

圖1是一種采用科里奧利質(zhì)量流量計做為標準表的水流量校準裝置。主要由流源系統（水箱和變頻調速水泵）、標準表組（多臺并聯(lián)安裝的質(zhì)量流量計）、被測表工位、閥門(mén)組（開(kāi)關(guān)閥、節流閥）和信號采集與控制系統（頻率計數、毫安測量、數據采集、誤差計算、報告）組成。

圖1 系統工作原理簡(jiǎn)圖

標準表部分由五臺高精度科里奧利質(zhì)量流量計組成，分別為CMF025，CMF050，CMF100，CMF200和CMF300；五臺流量計采用并聯(lián)的方法，最小流量可達到1.8kg/min，最大流量可達到3000kg/min，故而其量程比達到了1500。對于該流量范圍的任一流量，系統會(huì )選擇相應流量范圍對應的標準表路徑作為其測試表，故對任一流量，只會(huì )有一臺標準表作為實(shí)際使用的標準表，從而保證了系統的精度和穩定性。安裝方案如圖2所示。

圖2 質(zhì)量流量計并聯(lián)標準表組

2 標準流量計的檢定和校準

標準表法裝置在使用過(guò)程中的一大問(wèn)題就是如何進(jìn)行周期檢定和校準，從而保證標準表的穩定可靠和溯源。有以下幾種方法：

使用標準表和稱(chēng)重法混合集成的流量標準裝置，通過(guò)使用串聯(lián)集成的稱(chēng)重裝置對標準流量計實(shí)現在線(xiàn)式檢定。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要拆除標準流量計，節省安裝調試標準表的時(shí)間和由于拆卸標準表而可能造成的問(wèn)題；缺點(diǎn)是投資大，設備復雜，由于集成有稱(chēng)重法設備，操作維護復雜。

標準流量計離線(xiàn)式檢定，即將標準表流量計從裝置中拆除下來(lái)，在其它可以溯源的稱(chēng)重法或體積法的流量標準裝置中進(jìn)行檢定，然后再將其裝回原標準表法流量裝置中。這一方法的問(wèn)題是需要對標準流量計進(jìn)行拆裝，大大增加了現場(chǎng)檢定的難度，并且不能排除人為安裝等因素所產(chǎn)生的問(wèn)題，尤其在高精度的場(chǎng)合，該方法帶來(lái)了較大的不確定性。

綜合以上兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文介紹了一種新的方法，即傳遞標準表法。即使用一套傳遞標準表，將傳遞標準表在可以溯源的稱(chēng)重法或體積法流量裝置上進(jìn)行檢定，評估其不確定度，然后將其作為傳遞標準，放入待檢定的標準表法流量裝置上，對標準流量計進(jìn)行檢定，這樣可以做到在不拆除裝置上標準流量計的情況下直接對其進(jìn)行檢定。這種測試方法簡(jiǎn)便易行，測試數據詳細可靠，故而通過(guò)較為詳實(shí)的數據，可以給出科學(xué)的不確定度評估方法。稱(chēng)重法及傳遞標準表法溯源見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 標準表法裝置的溯源鏈（稱(chēng)重法）

圖4 標準表法裝置的溯源鏈（傳遞標準表法）

表1給出了型號為CMF200的標準流量計在質(zhì)量法流量標準裝置上的測試數據及不確定度計算。該質(zhì)量法流量標準裝置的不確定度為0.03%（k=2），測試流量點(diǎn)共有9個(gè)點(diǎn)，覆蓋了該型號流量計的實(shí)際使用流量，每點(diǎn)重復6次，并對實(shí)驗結果進(jìn)行基于最小二乘法的線(xiàn)性化。根據數據結果和溯源鏈可以發(fā)現，由于采用了一次傳遞，故本次測量下該標準流量計的擴展不確定度可以達到0.031%（k=2），與稱(chēng)重法流量標準裝置的不確定度幾乎相同。

表1 標準流量計CMF200不確定度的計算

表2給出了型號為CMF100的傳遞標準在質(zhì)量法流量標準裝置上的測試數據及不確定度計算，共測試了10個(gè)流量點(diǎn)，覆蓋了該型號流量計的實(shí)際使用流量，每點(diǎn)重復6次。本次測量下的該傳遞標準的擴展不確定度可達到0.035%（k=2）。

表2 傳遞標準表CMF100不確定度的計算

表3是在直接使用以上傳遞標準對標準表法流量標準裝置中的標準流量計進(jìn)行測試，其測試方法同表2所列測試方法，根據表3計算結果可發(fā)現基于此方法的最終標準流量計的擴展不確定度約為0.05%（k=2）。

表3 標準流量計CMF100合成不確定度計算

相比直接稱(chēng)重法，傳遞標準法多了一次傳遞，故而引入了一定的不確定度，但是由于該方法無(wú)需拆裝標準流量計，排除了人為因素所導致的系統問(wèn)題，間接保證了標準流量計的可靠，穩定工作，加上不需投資小，系統結構相對簡(jiǎn)單，維修維護方便，且該測試方法有效可行，測試數據充分，為評估其不確定度提供了可靠的依據，也為使用該方法提供了理論與實(shí)驗數據。

3 標準流量計的期間核查

本文使用同樣為CMF100的質(zhì)量流量計作為期間核查的被測流量計，選用了兩個(gè)流量點(diǎn)作為測試流量點(diǎn)，流量點(diǎn)涵蓋了該型流量計的使用范圍，選取平均誤差最大的流量點(diǎn)作為該次的核查點(diǎn)，引入了評估系數En。

圖5所示為根據最近三個(gè)月的期間核查數據所作出的趨勢圖，可以看出評估系數最優(yōu)時(shí)為0.05，最差時(shí)為0.5，也就是說(shuō)該標準流量計隨著(zhù)時(shí)間的變化，其最大誤差值也優(yōu)于0.02%。另一方面，通過(guò)采用期間核查和評估系數的方法，從另一方面證明了采用科氏質(zhì)量流量計的標準流量計的穩定性和可靠性。

圖5 CMF100標準流量計的評估系數趨勢圖

綜上所述，使用科氏質(zhì)量流量計作為標準流量計應用到流量標準裝置上是有效的，可行的。通過(guò)實(shí)驗數據的分析，使用高精度科氏質(zhì)量流量計，大大提高了標準表法裝置的精度和穩定性，為該型裝置的推廣應用奠定了基礎。