桂文浩

(艾默生過(guò)程控制流量技術(shù)有限公司，江蘇南京211100)

0 引言

隨著人們對(duì)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(jì)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(jì)產(chǎn)品的準(zhǔn)確性，對(duì)生產(chǎn)企業(yè)的計(jì)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(zhǔn)裝置，已經(jīng)成為計(jì)量工作中的重要一環(huán)。

容積法和稱(chēng)重法流量校準(zhǔn)裝置由于其便于溯源，基準(zhǔn)較易獲得，故在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，并廣泛用于企業(yè)和實(shí)驗(yàn)室。但該型系統(tǒng)存在效率低，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，維修維護(hù)困難，易受干擾，適用范圍窄，成本高，隨著管線(xiàn)尺寸的增加，投資和系統(tǒng)尺寸成倍增加，對(duì)于流量計(jì)生產(chǎn)企業(yè)或測(cè)試任務(wù)繁重的實(shí)驗(yàn)室，已越來(lái)越難以滿(mǎn)足他們的需求。

標(biāo)準(zhǔn)表法適應(yīng)范圍寬，抗干擾能力強(qiáng)，效率高，可靠性高，已得到越來(lái)越多企業(yè)和實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)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(jì)的標(biāo)準(zhǔn)表法流量校準(zhǔn)裝置。

1 標(biāo)準(zhǔn)表法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成

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

圖1是一種采用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)做為標(biāo)準(zhǔn)表的水流量校準(zhǔn)裝置。主要由流源系統(tǒng)(水箱和變頻調(diào)速水泵)、標(biāo)準(zhǔn)表組(多臺(tái)并聯(lián)安裝的質(zhì)量流量計(jì))、被測(cè)表工位、閥門(mén)組(開(kāi)關(guān)閥、節(jié)流閥)和信號(hào)采集與控制系統(tǒng)(頻率計(jì)數(shù)、毫安測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、誤差計(jì)算、報(bào)告)組成。

圖1 系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖

標(biāo)準(zhǔn)表部分由五臺(tái)高精度科里奧利質(zhì)量流量計(jì)組成，分別為CMF025，CMF050，CMF100，CMF200和CMF300;五臺(tái)流量計(jì)采用并聯(lián)的方法，最小流量可達(dá)到1.8 kg/min，最大流量可達(dá)到3000 kg/min，故而其量程比達(dá)到了1500。對(duì)于該流量范圍的任一流量，系統(tǒng)會(huì)選擇相應(yīng)流量范圍對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)表路徑作為其測(cè)試表，故對(duì)任一流量，只會(huì)有一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表作為實(shí)際使用的標(biāo)準(zhǔn)表，從而保證了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。安裝方案如圖2所示。

圖2 質(zhì)量流量計(jì)并聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)表組

2 標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的檢定和校準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)，從而保證標(biāo)準(zhǔn)表的穩(wěn)定可靠和溯源。有以下幾種方法:

使用標(biāo)準(zhǔn)表和稱(chēng)重法混合集成的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，通過(guò)使用串聯(lián)集成的稱(chēng)重裝置對(duì)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)式檢定。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要拆除標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，節(jié)省安裝調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)表的時(shí)間和由于拆卸標(biāo)準(zhǔn)表而可能造成的問(wèn)題;缺點(diǎn)是投資大，設(shè)備復(fù)雜，由于集成有稱(chēng)重法設(shè)備，操作維護(hù)復(fù)雜。

標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)離線(xiàn)式檢定，即將標(biāo)準(zhǔn)表流量計(jì)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(biāo)準(zhǔn)裝置中進(jìn)行檢定，然后再將其裝回原標(biāo)準(zhǔn)表法流量裝置中。這一方法的問(wèn)題是需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)進(jìn)行拆裝，大大增加了現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)表法。即使用一套傳遞標(biāo)準(zhǔn)表，將傳遞標(biāo)準(zhǔn)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(píng)估其不確定度，然后將其作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，放入待檢定的標(biāo)準(zhǔn)表法流量裝置上，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)進(jìn)行檢定，這樣可以做到在不拆除裝置上標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的情況下直接對(duì)其進(jìn)行檢定。這種測(cè)試方法簡(jiǎn)便易行，測(cè)試數(shù)據(jù)詳細(xì)可靠，故而通過(guò)較為詳實(shí)的數(shù)據(jù)，可以給出科學(xué)的不確定度評(píng)估方法。稱(chēng)重法及傳遞標(biāo)準(zhǔn)表法溯源見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)表法裝置的溯源鏈(稱(chēng)重法)

圖4 標(biāo)準(zhǔn)表法裝置的溯源鏈(傳遞標(biāo)準(zhǔn)表法)

表1給出了型號(hào)為CMF200的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)在質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上的測(cè)試數(shù)據(jù)及不確定度計(jì)算。該質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度為0.03%(k=2)，測(cè)試流量點(diǎn)共有9個(gè)點(diǎn)，覆蓋了該型號(hào)流量計(jì)的實(shí)際使用流量，每點(diǎn)重復(fù)6次，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行基于最小二乘法的線(xiàn)性化。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果和溯源鏈可以發(fā)現(xiàn)，由于采用了一次傳遞，故本次測(cè)量下該標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的擴(kuò)展不確定度可以達(dá)到0.031%(k=2)，與稱(chēng)重法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度幾乎相同。

表1 標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)CMF200不確定度的計(jì)算

表2給出了型號(hào)為CMF100的傳遞標(biāo)準(zhǔn)在質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上的測(cè)試數(shù)據(jù)及不確定度計(jì)算，共測(cè)試了10個(gè)流量點(diǎn)，覆蓋了該型號(hào)流量計(jì)的實(shí)際使用流量，每點(diǎn)重復(fù)6次。本次測(cè)量下的該傳遞標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度可達(dá)到0.035%(k=2)。

表2 傳遞標(biāo)準(zhǔn)表CMF100不確定度的計(jì)算

表3是在直接使用以上傳遞標(biāo)準(zhǔn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試方法同表2所列測(cè)試方法，根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)基于此方法的最終標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的擴(kuò)展不確定度約為0.05%(k=2)。

相比直接稱(chēng)重法，傳遞標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，排除了人為因素所導(dǎo)致的系統(tǒng)問(wèn)題，間接保證了標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的可靠，穩(wěn)定工作，加上不需投資小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，維修維護(hù)方便，且該測(cè)試方法有效可行，測(cè)試數(shù)據(jù)充分，為評(píng)估其不確定度提供了可靠的依據(jù)，也為使用該方法提供了理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的期間核查

本文使用同樣為CMF100的質(zhì)量流量計(jì)作為期間核查的被測(cè)流量計(jì)，選用了兩個(gè)流量點(diǎn)作為測(cè)試流量點(diǎn)，流量點(diǎn)涵蓋了該型流量計(jì)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(píng)估系數(shù)En.

圖5所示為根據(jù)最近三個(gè)月的期間核查數(shù)據(jù)所作出的趨勢(shì)圖，可以看出評(píng)估系數(shù)最優(yōu)時(shí)為0.05，最差時(shí)為0.5，也就是說(shuō)該標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)隨著時(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(píng)估系數(shù)的方法，從另一方面證明了采用科氏質(zhì)量流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖5 CMF100標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的評(píng)估系數(shù)趨勢(shì)圖

綜上所述，使用科氏質(zhì)量流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)應(yīng)用到流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上是有效的，可行的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，使用高精度科氏質(zhì)量流量計(jì)，大大提高了標(biāo)準(zhǔn)表法裝置的精度和穩(wěn)定性，為該型裝置的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

［1］JJG643-2003標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程［S］.

［2］Dean M.Standiford.New Design for a Transfer Standard Method Flow Stand［S］.2013 Flomeko