用涡轮流量计传递流量标准装置工作量器量值
用实验研究的方法 ,讨论了用涡轮流量计作为传递标准校验流量标准装置工作量器的可能性和可行性 ,并进一步提出了用高稳定性流量仪表传递其它大容器容积量值的一般方法 . 试验表明: 只要流量仪表具有足够好的重复性 ,用它作为传递标准校验容器容积量值是一种非常可行的方法 .
1、问题的提出：
静态容积法液体流量标准装置中工作量器的容积量值一般都是由一等标准量器传递的[1 ]. 但规程中有严格的条件规定 , ( 1)标准量器的准确度应优于被标定工作量器准确度的1 /2; ( 2)标准量器的容积与工作量器的容积比一般不小于 1∶ 5. 也即不能用太小的标准量器以太多的次数来传递容积量值给较大容积的工作量器. 这就造成在很多实际的流量标准装置中并不能或不适合用标准量器来完成对工作量器的容积量值传递. 尤其是目前已有许多大口径流量标准装置的工作量器容积达数十甚至数百立方米 ,如我国开封流量测试中心的大型流量标准装置的工作量器容积达 50、 75和 150m3; 上海光华· 爱而美特带流量调节的变水头高位槽流量标准装置的工作量器 (计量水池 )容积达 500m3. 这样的大型容器用常规的标准量器来传递容积量值已很不适宜. 尤其是 350m3的水塔型工作量器 ,实际上是一种工作在动态容积法方式的流量标准装置 ,根本就无法用传统的方法进行容积量值的传递.用常规方法传递容积量值的另一个困难是流量标准装置的现场安装条件 . 由于传统方法要将标准量器置于被传递的工作量器之上 ,当流量标准装置中工作量器上方没有足够的空间时 ,也很难用标准量器来传递容积量值给工作量器.我院的静态容积法水流量标准装置就属于这种情况 ,标准装置建立十多年来还从未对其进行过检定 ,主要原因是用常规方法传递工作量器的容积量值有困难.用高稳定性的流量仪表传递容积量值的方法在国内已作了不少研究 .
开封流量测试中心利用涡轮流量计作为传递标准来检定同级涡轮流量计 ,结果表明与标准容器检定涡轮流量计没有显著性差别 ; 大庆原油大流量计量检定站利用刮板流量计优异的重复性 (重复性误差≤ 0. 012% ) ,传递容积量值给标准体积管 ,用水作为介质时体积管的准确度达0. 035% ,用原油作介质时体积管的准确度仍达 0. 05% ; 利用电磁流量计作为传递标准 ,传递容积量值给动态容积法流量标准装置的工作量器 ,准确度达 0. 0335% .
本文主要讨论以涡轮流量计作为传递标准 ,将标准容器的容积量值传递给我院静态容积法水流量标准装置 100L工作量器的方法和结果 ,并进一步推广到传递大容积量值的一般方法.
2、传递方法与传递用流量计的选择：
用流量计传递容积量值给工作量器的方法和过程分两步进行:
( 1) 从标准量器将量值传递给“传递用流量计” ,该“传递用流量计”就是传递标准 ;
( 2) 用“传递用流量计”将容积量值传递给工作量器 .为了使传递工作准确有效 ,传递用流量计的选择非常重要 .它起码应满足以下两个基本条件: ,传递标准必须有优异的重复性 .第二 ,传递标准必须有足够高频率的电信号脉冲输出.
众所周知 ,目前传递用流量计的准确度等级通常为 0. 5级 ,***高也不过 0. 2级 ,即其基本误差限在 ( 2～ 5)× 10- 3量级 ,而所传递的工作量器的准确度一般在 10- 4量级.按传统的概念看 ,用较低精度的流量仪表传递量值给较高精度的工作量器是不合逻辑的 ,在检定规程中也是从不允许的.但实际上流量仪表的基本误差限是在其测量范围内的允许误差 ,其中包含着仪表的非线性误差 ,即包括各流量点的仪表系数与测量范围内平均仪表系数之间的差异所引起的误差 .有些流量仪表的重复性非常好 ,如电磁流量计 ,涡轮流量计和腰轮、刮板等容积式流量计等 ,重复性误差比基本误差限要低 1个甚至 2个数量级 ,达 10- 4和 10- 5. 如果让高稳定性的传递用流量计工作在某一固定流量点 (或其附近 ) ,利用其优异的重复性 ,即可满足传递量值给工作量器的条件. 用流量仪表传递容积量值的方法正是利用某固定流量点的重复性来实现的.
有足够高频率的电信号脉冲输出是作为传递用流量计的另一基本条件. 无论是传递方法中的步还是第二步 ,流量计输出的信号脉冲都要与换向器 (静态容积法 )或工作量器液位开关 (动态容积法 )的动作同步计数 ,输出信号频率足够高 ,计数中引起的误差就越小.如文献* *电磁流量计的仪表系数达 5600 L- 1多.
基于上述分析 ,由于 0. 2级的刮板流量计没有电脉冲输出; 1. 0级的电磁流量计只有电流输出 ,且精度较低;我们选用了 0. 5级涡轮流量计作为传递用流量计.
3、传递试验与结果传递试验装置：
如图 1所示.图中传递用流量计是 0. 5级的普通液体涡轮流量计 ,流量范围为 0. 6— 4. 0 m3/h. 传递过程的步 ,即从标准量器将量值传递给“传递用流量计” ,在省技术监督检测研究院流量实验室中进行 .用装置准确度为± 0. 05%的静态水流量标准装置对传递用流量计进行检定 ,70% 流量点 ( 2. 8 m3/h)的检定结果如表 1所示 .
图 1 等精度传递实验装置
表 1 70% 流量点的多次检定处理结果
计算处理:仪表系数平均值 K-,K-= (∑ni= 1K i ) /n = 572. 86 L- 1单次测量标准差 S ( Ki )S ( Ki ) = ∑ni= 1( Ki – K-)2/ ( n – 1) = 0. 1134 L- 1平均值实验标准差 S (K-)S ( K-) =S ( K i )n= 0. 0401 L- 1平均值相对不确定度 u ( K )ru ( K )r = S( K-) /K-= 0. 0070%相对合成不确定度 uc1r 为uc1r =u0k2+ u ( K )2r =0. 051. 962+ 0. 0072= 0. 0265% ( 1)该传递用涡轮流量计在 70% 流量点的仪表系数相对扩展不确定度 Urk 为Urk = kuc1r = 0. 053%式中 ,u0 为上一级标准装置的不确定度.传递过程的第二步是将传递用涡轮流量计安装在我院的流量标准装置上 (如图 1) ,并让传递用流量计工作在 2. 8 m3/h流量点进行检定 ,检定数据和处理结果如表 2所示。
表 2 各检定点的检定结果汇总
表中 ,* 为相对工作量器 100L刻线对应的脉冲数 ;* * 为工作量器 100L 刻线对应的实际容积值计算处理:工作量器容积平均值 V-V-= (∑ni= 1Vi ) /n = 99. 495 L单次测量标准差 S (Vi )S ( Vi ) = ∑ni= 1( Vi – V-)2/( n – 1) = 0. 013 L平均值实验标准差 S (V-)S ( V-) =S ( Vi )n= 0. 0041 L平均值相对不确定度 u ( V )ru ( V )r = S ( V-) /V-= 0. 0041%相对合成不确定度 uc2r 为uc2r = u2c1r + u ( V )2r = 0. 02652+ 0. 00412= 0. 0265% ( 2)工作量器的总相对不确定度 Ur V 为Ur V = kuc2r = 2× 0. 0265= 0. 0530%也即 ,流量标准装置的工作量器 100L刻度的实际容积为 V = 99. 495L,不确定度为0. 0530% .
4、 结果：
讨论
1、 式 ( 1) 中的 u0 = 0. 05% 已包含了计时器误差 ,在标准量器将容积量值传递给传递用流量计时 ,只需计算换向器的系统误差和随机误差以及标准量器的准确度.所以式 ( 1) 的结果是保守的.
2、 如果选用稳定性更好的流量仪表作传递用流量计 ,如高性能电磁流量计 ,其传递精度还将进一步提高.
3、 从容积量值传递的结果看 ,工作量器的刻度线所标称的容积值已偏大 , 100L 刻度处的实际容积只有 99. 5L,如不修正 ,系统误差已达 0. 5% ,这对流量标准装置来说是不能允许的. 这和以往的实验结果流量系数往往偏大也是一致的.
4、 用高稳定性的流量仪表传递容积量值的方法适合于大型容器的量值传递 ,例如大型油罐、大型水池、不规则形状的大型容器等 . 与现用的几何尺寸法相比 ,劳动强度低 ,人为影响因素少 ,而且所获得的容积量值准确度可望有较大的提高.
5、 为了使量值传递更加有效 ,传递过程中的介质温度变化 ,安装条件中直管段长度、来流速度分布等因素都会影响传递用流量计的仪表系数.所以 ,传递过程中一般应该将传递用流量计及其前后直管段 (有整流器的带上整流器 )安装在一起进行检定. 计数器等配套仪表也应一起检定 . 由于条件的限制 ,本文中试验的步和第二步 ,传递用流量计没带前后直管段一起检定 ,从中可能会引起一定误差.
5、结论：
用高精度、高稳定度的流量仪表作传递工具 ,将标准量器的容积量值传递给工作量器 ,可获得良好的结果 . 而且该方法可以推广到传递不规则形状大型容器的容积量值 .