摘　要　介紹了緊湊式標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成及工作原理。通過分析裝置的不確定度和進(jìn)行測量結(jié)果的驗(yàn)證，證實(shí)了這種緊湊式標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可應(yīng)用于氣體流量計(jì)的檢定或校準(zhǔn)。

0　引言

隨著我國天然氣管網(wǎng)的完善和天然氣價(jià)格機(jī)制改革的不斷推進(jìn)，天然氣消費(fèi)將繼續(xù)增加。預(yù)測到2030年，我國天然氣需求量為 5 000 億至 6 000 億立方米，對流量測量的準(zhǔn)確度及測量范圍的要求越來越高，因此對氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置也提出了更高的要求。標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[1]是檢定氣體流量計(jì)的常用裝置，由于它結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，工作效率高，因此深受用戶的歡迎。目前荷蘭 FMG 公司研制出的一種緊湊型標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（以下簡稱測試臺(tái)），已在本單位（簡稱公司）得到成功應(yīng)用。

1　裝置概述

測試臺(tái)是以減少占用空間、提高標(biāo)定效率、降低能耗、提供高準(zhǔn)確度的標(biāo)定服務(wù)為總體設(shè)計(jì)思路。圖 1 為測試臺(tái)整體外觀，可以看出測試臺(tái)結(jié)構(gòu)非常緊湊，占用空間非常少，在一個(gè)辦公桌大小的裝置上就能對 DN150 以下口徑的氣體流量計(jì)（準(zhǔn)確度等級 0.5 級及以上）進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)。硬件方面，測試臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表選用特殊設(shè)計(jì)的專門應(yīng)用在測試裝置和移動(dòng)基準(zhǔn)的優(yōu)化型雙轉(zhuǎn)子腰輪流量計(jì)。這類流量計(jì)重復(fù)性、長期穩(wěn)定性非常優(yōu)良，幾乎沒有脈動(dòng)流影響。測試臺(tái)配置的標(biāo)準(zhǔn)表分別是四個(gè)獨(dú)立的核查表，任意一臺(tái)或多臺(tái)可對其他的標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行相互核查。這樣對標(biāo)定的準(zhǔn)確度更有保證，并在使用中得到了驗(yàn)證。測試臺(tái)裝備有高品質(zhì)傳感器，以及全自動(dòng)、智能化控制系統(tǒng)，能減少熱膨脹效應(yīng)。通過采用內(nèi)置時(shí)鐘的多通道數(shù)字分析模塊，它可以高精度地采樣和收集相關(guān)數(shù)據(jù)。流量的調(diào)節(jié)是通過變頻風(fēng)機(jī)結(jié)合風(fēng)量調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)的，可以在量程范圍內(nèi)快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)到所需流量，使得標(biāo)定工作效率大大提高。

軟件方面，通過智能設(shè)計(jì)、自診斷功能及采用高質(zhì)量的軟件，保證了其維修維護(hù)量在較小范圍。采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可遠(yuǎn)程操作，輕松得到來自 FMG 的技術(shù)服務(wù)與支持。計(jì)算機(jī)操作界面提供通俗易懂的菜單結(jié)構(gòu)及完整的系統(tǒng)流程畫面。強(qiáng)大的軟件功能使得在標(biāo)定不同類型的流量計(jì)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)，自動(dòng)完成整個(gè)標(biāo)定過程，所有必要的數(shù)據(jù)均可在測試過程中顯示可見。密碼保護(hù)與用戶分級管理功能提供重要數(shù)據(jù)和設(shè)置的安全保護(hù)。

2　裝置組成和原理

測試臺(tái)主要硬件設(shè)備有標(biāo)準(zhǔn)表、壓力變送器和溫度變送器、閥門、風(fēng)機(jī)、連接管路。整個(gè)裝置的系統(tǒng)流程如圖 2 所示。

測試臺(tái)控制系統(tǒng)如圖 3 所示。控制系統(tǒng)采用BK9000 總線耦合器，以 KL2408、KL3222、KL3454、KL4004 和 KL9010 為擴(kuò)展模塊的數(shù)字信號總線系統(tǒng)為下位控制器，Testbench 為上位機(jī)監(jiān)控軟件。測試臺(tái)可以對多種氣體流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，傳感器模塊可同時(shí)采集被檢表的 4 個(gè)脈沖信號，所有組件使用相同的參考點(diǎn)，這樣對各信號的采集處理更準(zhǔn)確迅速。較大化節(jié)約空間，操作靈活簡便。

測試臺(tái)以空氣為氣源的負(fù)壓法標(biāo)準(zhǔn)裝置，被檢流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)表以及風(fēng)機(jī)由管路及閥門連接起來，標(biāo)準(zhǔn)表為三臺(tái)氣體腰輪流量計(jì)，根據(jù)設(shè)定的流量大小自動(dòng)選擇一臺(tái)或多臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表組合。當(dāng)設(shè)定流量穩(wěn)定后，控制系統(tǒng)同時(shí)開始接收標(biāo)準(zhǔn)表和被檢流量計(jì)的信號，并測量標(biāo)準(zhǔn)表和被檢流量計(jì)處的溫度和壓力。到結(jié)束測試時(shí)，同時(shí)停止接收標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的信號�？刂葡到y(tǒng)把標(biāo)準(zhǔn)表的體積量換算為被檢表的溫度和壓力狀況下的體積量，較終得出被檢流量計(jì)的計(jì)量性能。

3　不確定度分析

由測試臺(tái)的組成和原理可以看出，整套裝置的合成不確定度主要包括[2-3] ：檢定標(biāo)準(zhǔn)表裝置不確定度、標(biāo)準(zhǔn)表的不確定度、標(biāo)準(zhǔn)表處溫度和壓力測量的不確定度、被檢流量計(jì)處溫度和壓力的不確定度、裝置計(jì)時(shí)器的不確定度。表 1 為整套裝置測量不確定度一覽表。

3.1　檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度

3.3　標(biāo)準(zhǔn)表儀表系數(shù)重復(fù)性的不確定度

標(biāo)準(zhǔn)表儀表系數(shù)定點(diǎn)測量的重復(fù)性的不確定度u r (K) 取各流量點(diǎn)儀表系數(shù)的不確定度中較大值。測試臺(tái)三臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表經(jīng)溯源，校準(zhǔn)證書中各流量點(diǎn)重復(fù)性較大值為 0.02%，則標(biāo)準(zhǔn)表儀表系數(shù)重復(fù)性的不確定度 u r (K) = 0.02%。

3.4　標(biāo)準(zhǔn)表處溫度測量不確定度

測試臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表處溫度測量使用的溫度變送器較大允許誤差為 ±0.15 ℃，按均勻分布，氣體溫度為20 ℃，則標(biāo)準(zhǔn)表處溫度測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

3.6　標(biāo)準(zhǔn)表處壓力測量不確定度

測試臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表處壓力測量使用的壓力變送器較大允許誤差為 ±0.1%，按均勻分布，則標(biāo)準(zhǔn)表處壓力測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

3.8　計(jì)時(shí)器不確定度

測試臺(tái)的計(jì)時(shí)器經(jīng)溯源，30 s 時(shí)間間隔的測試數(shù)據(jù)如表 2 所示。

3.9　裝置合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

裝置的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4　測量結(jié)果的驗(yàn)證 [4-5]

測量結(jié)果的驗(yàn)證采用比對法驗(yàn)證，選取一臺(tái)FMG 生產(chǎn)的氣體渦輪流量計(jì)作為比對的傳遞標(biāo)準(zhǔn)，測量范圍為 80 ～ 1 600 m 3 /h，準(zhǔn)確度等級為 1 級。參與比對實(shí)驗(yàn)室的裝置分別為：公司的測試臺(tái)，測量范圍為 0.4 ～ 1 600 m 3 /h，裝置標(biāo)準(zhǔn)不確定度 U rel =0.32%（k = 2）；lab1 的臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，測量范圍為 2 ～ 4 500 m 3 /h，裝置不確定度 U rel = 0.16%（k = 2）；lab2 的臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，測量范圍為 1 ～ 7 000 m 3 /h，裝置擴(kuò)展不確定度 U rel = 0.29%（k = 2）。lab1 和 lab2均為國家法定技術(shù)機(jī)構(gòu)。傳遞標(biāo)準(zhǔn)流轉(zhuǎn)路徑依次為公司、lab1、lab2、公司。三個(gè)實(shí)驗(yàn)室的測量結(jié)果見表 4。

通過表 4 可以看出 |K 1i -  | <  ，因此驗(yàn)證結(jié)果為滿意。

5　結(jié)語

雖然測試臺(tái)的占用空間變小了，但其各項(xiàng)性能依然能夠滿足測試需求。測試臺(tái)上所有主標(biāo)準(zhǔn)器、配套設(shè)備以及整套裝置都經(jīng)過國家法定技術(shù)機(jī)構(gòu)溯源，溯源結(jié)果達(dá)到測試臺(tái)的設(shè)計(jì)要求。通過分析測試臺(tái)整套裝置的不確定度和對測量結(jié)果的驗(yàn)證，證明測試臺(tái)可用于膜式燃?xì)獗�、氣體腰輪流量計(jì)、氣體渦輪流量計(jì)和氣體超聲流量計(jì)的檢定或校準(zhǔn)。公司在日常檢定或校準(zhǔn)工作中通過與臨界流噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置比較發(fā)現(xiàn)，測試臺(tái)的優(yōu)勢在于流量穩(wěn)定時(shí)間短，檢定或校準(zhǔn)效率可提高 30% 以上，并且能耗也大大降低。