標準表法氣體流量標準裝置及測量結果不確定度分析

張宏廷

中石油煤層氣有限責任公司計量檢定站 （陜西 西安 710082）

0 引言

近年來， 隨著煤層氣公司在計量管理上的日臻完善，越來越多的氣體流量計需要進行檢定。作為公司計量檢定站責無旁貸地承擔起了這項工作， 但是在委外檢定過程中，出現了諸如送檢周期較長、運輸過程中可能導致儀表失準等多方面的問題。 為此建立了一套氣體流量計檢定裝置。

氣體流量測量是一項較為復雜的技術， 被測量氣體的流動狀態、溫度、壓力等都會引起流量測量結果的變化。 同時流量計作為直接統計產氣量的計量器具，又要求其必須在規定的精度范圍內運行，如果沒有一個統一的流量測量儀表可靠性和準確度的保證方法，要保證大規模生產的要求，要保證貿易的平等互換是不可能的。

目前傳統氣體流量計的檢定一般采用臨界流噴嘴氣體流量標準裝置，該類標準裝置精度高、穩定性好。 但其一次投資成本高、占地面積大，噪聲也需要特殊處理。 而標準表法流量標準裝置成本低、效率高，檢定范圍容易拓寬，能夠滿足一般儀表的精度要求。 目前，隨著自動化和計算機技術的發展，為提高標準表法流量標準裝置的準確度和檢定效率提供了新的技術手段。 在經過多方比較調研之后，決定采用國內某知名廠家的LLH 系列標準表法氣體流量標準裝置（以下簡稱標準表法裝置），對該套裝置的基本原理及不確定度評定進行詳細地介紹。

1 裝置的組成及工作原理

標準表法裝置選用高精度的羅茨流量計或渦輪流量計作為標準流量計， 依據標準表法裝置檢定規程，對容積式、渦輪和速度式流量計進行出廠檢定和周期檢定或校準。

1.1 結構示意圖與組成

標準表法裝置主要由標準表、羅茨泵、直管段、控制設備及數據采集和處理系統組成（圖1），本裝置采用的是負壓標準表法， 其設計及檢定的依據是JJG 643—2003《標準表法流量標準裝置》設計的流量范圍為2.5～400 m3/h， 三個臺位， 可對DN25～DN80 的氣體流量計進行檢定。

1.2 工作原理

標準表法裝置的基本原理是在一段密閉流動的管道上穩定（溫度、壓力變化在允許范圍之內）運行的條件下，依據質量守恒定律，同時記錄標準流量計和被檢流量計的體積流量，經溫度、壓力修正后確定被檢表的偏差，再加上標準裝置的不確定度，便獲得被檢流量計的不確定度，如圖2 所示。

圖2 中裝置是負壓的工作方式， 潔凈空氣在氣環真空泵的作用下，首先經過過濾器進入進氣罐，然后依次經過閥門1、標準表、閥門2、穩壓罐、軟管1、前直管段、被檢表、后直管段、軟管2，最后經氣環泵排出。根據檢定流量的大小，通過自動閉環調節變頻器和流量調節閥調節來確定流量。

圖1 標準表法裝置結構示意圖

在檢定過程中， 計算機通過PLC 控制器采集，處理標準表和被檢表的溫度、壓力和脈沖信號，根據公式（1）首先計算出被檢表的儀表系數Kvt，然后依據檢定規程計算被檢表的基本誤差和重復性[1]。

式中：Pt、Psi分別是被檢表和第i 檢定點標準表的壓力，Pa；Nt、Nsi分別是被檢表和第i 檢定點的標準表的脈沖數， 個；Tt、Tsi分別是被檢表和第i 檢定點標準表的溫度，℃；Kvt、Ksi分別是被檢表和第i 檢定點標準表的儀表系數，1/m3。

圖2 檢定原理圖

2 不確定度分析

設備安裝完成之后， 為了驗證其是否滿足儀表檢定， 在進行了一系列重復性和穩定性試驗的基礎上，對其結果的不確定度進行了評價。

2.1 重復性試驗

選一臺渦輪流量計，口徑為DN80，測量范圍為2.5～250 m3/h、準確度為1.5 級。 在重復性條件下，用本裝置對規定流量點重復測量10 次， 得出一組數據，再用貝塞爾公式計算測量重復性，結果見表1。

利用重復性計算公式，得出上述10 個點的重復性數據分別為：0.002 8；0.054 1；0.055 4；0.032 7；0.129 3。 取其中的最大值s（K）=0.129 3 作為標準裝置的重復性，根據JJF 1033—2016《計量標準考核規范》[2]， 所得的重復性應小于合成標準不確定度，該裝置的標準不確定度u=0.32%，s（K）＜u，重復性滿足要求。

2.2 穩定性考核

為了驗證累積時間之間的流量穩定性， 選定一臺TBQZ-80B 渦輪流量計，測量結果（示值誤差）見表2。

2.3 檢定或校準結果的測量不確定度評定

2.3.1 流量計算的數學公式

本標準裝置是以標準流量計為標準器， 使流體連續通過被檢流量計和標準流量計， 比較二者一段時間內的累積流量值， 從而確定被檢流量計的計量性能。根據氣體狀態方程，將通過標準表的氣體流量修正到被檢表的溫度、壓力狀態下的流量，其流量計算的數學公式[3]為：

2.3.2 測量不確定度評定的數學模型

不確定度評定數學模型見公式（3）：

表1 標準表法氣體流量標準裝置重復性試驗表 /（m3·h-1）

表2 2017 年標準表法氣體流量標準裝置穩定性考核表 /( m3·h-1)

式（2）、（3）中：Qm、Qs分別為標準表和被檢表的累積流量，m3/h；tm、ts分別為被檢表和標準表處的溫度測量值，℃；Pa為大氣壓力測量值，kPa；Ps、Pm分別為被檢表和標準表處的壓力測量值，kPa；Zm、Zs分別為被檢表和標準表處的壓縮因子；A 為控制系統計數值的影響量。

2.3.3 測量不確定度一覽表

標準表法氣體流量標準裝置合成不確定度主要包括標準表流量值、被檢表處溫度值、標準表處溫度值、大氣壓力值、標準表處表壓力值、被檢表處表壓力值、控制系統計數值的影響量、重復性測量不確定度等（表3）。

表3 測量不確定度一覽表

1）標準流量計準確度為0.3 級，按JJG 643—2003《標準表法流量標準裝置檢定規程》[4]，標準流量計儀表系數基本誤差的置信概率為95%，按正態分布估計，其標準不確定度為：ui(xi)=0.3%/2=0.15%。

2）溫度測量儀表為0.2 級鉑電阻，測量范圍為10～35 ℃，常用溫度為18～22 ℃，最大允許誤差為：最大允差為±0.1 ℃，相對誤差為δ=0.1/（273.15+22）=0.03%。按均勻分布估計

3）壓力變送器準確度為0.2 級，測量范圍為0～3 000 Pa，最大允差為3.0 Pa，設常用差壓值為300～1 000 Pa，最大測量誤差為：Δp=3.0/（101 325-1 000）=0.003%。

4）重復性測量不確定度分析，選用一臺渦輪流量計進行測量[5]，測量誤差結果見表4。

表4 測量誤差結果 /%

S(xi)=0.067 56，ui=0.067 56/2.449=0.026 8

其中，S(xi)為6 次測量誤差結果的平均值；ui為整套裝置測量誤差結果的不確定度。

3 檢定或校準結果的驗證

選定一臺羅茨流量計進行對比驗證， 型號G160，準確度等級為1.5 級，出廠編號21001966，經陜西省計量科學研究院（以下簡稱省院）標準裝置檢定,對比本標準表法空氣流量標準裝置，結果見表5。

由檢定結果可知， 比對結果的最大誤差小于其擴展不確定度0.32%， 所以此裝置的總不確定度得到驗證。

表5 檢定結果驗證

4 結論

在完成內部建標的試驗之后， 邀請了陜西省質量技術監督局的相關專家，對建標工作進了考核。一致認為，所建計量標準器標準表法流量標準裝置，其裝置配套設備齊全、環境條件、檢定人員等符合有關規定的要求，原始記錄可由計算機系統自動生成，檢定結果經不確定度分析、比對、驗證等各項指標均符合JJF 1033—2016《計量標準考核規范》規定要求，可以開展對1.0 級以下速度式流量計、 渦輪流量計氣體流量儀表的檢定和校準工作。