等精度傳遞理論在水流量標準裝置中的應用

引言

水流量標準裝置是檢定各種類型液體流量計,進行流量值傳遞的標準設備,依據其工作原理可分為靜態容積法(或質量法)、動態容積法(或質量法)標準裝置和標準表法流量標準裝置,前二種標準裝置的基本特點是:提供的標準流量量值穩定、可靠、準確性高,但對于普通工作流量計的檢定,檢定成本高而效率低。標準表法標準裝置因其量值是由前二種標準傳遞的,故準確度較低,且標準表的周期檢定頻繁,但對于普通流量計的檢定效率高,而檢定成本低。河北省計量院于1986年研究建立的表態容積法水流量標準裝置最大口徑為80mm,準確度為0.2%,作為河北省社會公用計量標準,為省內流量量值的傳遞作出了一定貢獻,但由于裝置本身口徑及特點所限,對于日益增加的大量不同種類流量計的檢定工作已無法勝任,因此建立一套經濟適用,可滿足多種類型流量計量值傳遞所需要的水流量標準裝置已顯的尤為迫切。

1等精度傳遞理論

等精度傳遞的定義是指:在流量量值傳遞中只要滿足計量學的相同性基本原則,即流量計檢定時和使用時的流量點相同、檢定介質與使用介質物理特性相同、流量計檢定與使用的幾何特性相同、流量計檢定與使用過程中的操作過程相同,那么流量基準(或標準)所復現的流量單位量值將會等精度傳遞給工作流量計。下面舉例予以說明:在JJG643-94《標準表法流量標準裝置檢定規程》中規定:當標準表定點使用時,其準確度δ為

式中,E1為標準表沒帶配套儀表一起檢定時引進的附加流量誤差;E2為標準表檢定和使用條件不同時引進的附加流量誤差;E為標準表的基本誤差。如下式得出:

式中,Es為檢定標準表用的上一級流量標準裝置的準確度(用極限相對誤差表示);Er為標準表的重復性(用單次測量極限相對誤差表示)將式(2)代入式(1)得:

由式(3)可以看出,如將標準表和其配套儀表一起檢定,同時盡量使檢定條件與使用條件一致,則E1和E2可以忽略不計。由式(3)可得出:

由式(4)分析可得出如下結論:當ErnEs時,則δ≈Es,即當標準表的重復性(單次測量的極限相對誤差)遠小于檢定標準表用的流量標準裝置的準確度(極限相對誤差)時,標準表的準確度便約等于檢定標準表用的上一級流量標準裝置的準確度。在各種流量計的特性中,某些作為標準表的流量計固定在某一流量點檢定時,其重復性是非常好的。例如液體容積式流量計中的橢圓齒輪和腰輪流量計、速度式流量計中的渦輪流量計等。其重復性一般可達到0. 05%甚至更小。另外,在測量條件不變的前提下,對某量進行等精度多次重復測量時,隨著測量次數的增加,其重復性(隨機誤差)將會隨著測量次數的增大而變小。從理論上講當測量次數n趨于無窮大時,其重復性將趨于零。因此依據流量和隨機誤差的特性是完全可以達到如上假設的條件。所以等精度傳遞理論在實踐中是完全可以實現的。

2等精度傳遞理論的實際應用

靜態容積法標準表法互補水流量標準裝置的研制。

2. 1裝置的組成

裝置由靜態容積法流量標準裝置、標準表法流量標準裝置合并組成。裝置兼顧靜態容積法和標準表法的規范要求,合并相同的部分,將兩種方法有機融合。裝置按不同管路又分成大小兩組,其結構示意圖如圖1所示

2. 2裝置的工作原理

2. 2. 1容積法工作原理

首先由水泵將水池中的水打入穩壓容器,整個試驗過程的供水都由變頻控制系統控制,以保證水源壓頭的穩定和能源的節約。打開截止閥,水經過上游側直管段、試驗管段(通常為被試驗流量計)、下游直管段、伸縮器、流量調節閥及換向器流入到標準量器內。正式測試時,換向器動作的同時觸發計時控制器和被試驗流量計開始計數,以保證水量和時間的同步測量。當達到預定的水量或脈沖數或時間時,操作換向器,使水流換向,同時觸發計時控制器和被試驗流量計停止計數。根據所測量的水量V和時間t按下式計算流量QV:

2·2·2標準表法原理

主要基于流體力學的連續性方程。同時讀取標準表和被試驗流量計的讀數,若一臺標準表與被試驗流量計串聯,則被試驗流量計的儀表系數K為:

式中,K_n為被試驗流量計與標準表在同一計數時間內的脈沖比;Ks為標準表的儀表系數。

2. 2. 3裝置的等精度傳遞原理

對于靜態容積法和標準表法互補構成的這套裝置,依據等精度傳遞理論可知,在用容積法對標準表進行量值傳遞時,標準表的檢定點,同時也是其作為標準使用時的使用點,檢定介質,檢定條件,皆完全相同,在利用平均儀表系數消除標準表在檢定點的恒定系統誤差后,則標準表在給定檢定點下誤差來源只剩下了二項, (1)容積法裝置的傳遞誤差即容積法本身的準確度(用極限相對誤差表示); (2)標準表的重復性(用任一檢定點下,儀表數的極限相對誤差表示)。若標準表的重復性遠小于容積法裝置的準確度時,則可認為標準表的準確度約等于容積法裝置的準確度,換句話說就是容積法裝置將其流量量值等精度傳遞給了標準表。事實上標準表的重復性取決于在不改變測量條件下的重復測量次數,若測量次數有限,標準表的重復性不能視為微小誤差忽略時,則標準表的準確度可由下式給出(式中,δ1為容積法裝置的準確度;δ2為標準表重復性)這樣在這套容積法標準表法互補裝置中,可以認為容積法裝置相當于一個溯源標準,而標準表法裝置則相當于一個工作標準,因此對于特殊要求的高精度流量計的量值傳遞可由容積法裝置承擔,而對于大量的工作流量計的檢定則由標準表法裝置完成,使容積法標準裝置和標準表法裝置量的優勢得到了互補。一方面提高了容積法標準裝置的使用壽命,解決了標準表的周期送檢難題。而更主要的是提高了檢定效率而降低了檢定成本,具有較大的經濟效益。

3裝置的主要技術指標及與國際同類裝置的比較

3裝置的主要技術指標

裝置建成后,進行了調試檢定,在自檢的基礎上,由中國計量科學研究院對該裝置依據JJG164-2000檢定規程進行了檢定,結論為標準表法流量標準裝置的擴展不確定度為0·1%,口徑為15 ~300mm,流量上限為800m³/h,容積法流量標準裝置的擴展不確定度為0. 055%。測量口徑與標準表法一致,流量上限為800m³/h。

4結論

1)依據等精度傳遞理論設計

研制的靜態容積法,標準表法互補流量標準裝置,融合了容積法和標準表法各自的優點,盡可能減少了容積法裝置的使用次數,提高了其使用壽命。最大限度發揮了標準表法無頻繁換向效率高的特點,降低了檢定成本。

2)作為工作標準的標準表,應選擇動態效應和重復性好的流量計,除了容積式外還可以是渦輪渦銜或電磁流量計。