摘要: 文章主要介紹了一種基于雙計時法的標(biāo)準(zhǔn)表法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，該裝置不僅可以用于檢測需要豎直試驗管段的流量計 ( 如液體浮子流量計) 、還可以用于檢測超低頻脈沖輸出的流量計 ( 如液體容積式流量計) 。此 外，裝置配備高精度的電子天平用于標(biāo)準(zhǔn)表的溯源，免去大量拆裝工作。
1 概述
液體浮子流量計及其它類型的液體流量計，廣泛應(yīng)用于流量指示和工藝控制中，其精度具有一定的要求。液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為檢測液體流量計精度的設(shè)備，主要有質(zhì)量法、容積法和標(biāo)準(zhǔn)表法三種方法。其中標(biāo)準(zhǔn)表法對一些精度要求不高 ( 0. 5 級及以下) 的液體流量計和液體浮子流量計，具有投入低、測量范 圍 廣、效 率 高 的 優(yōu) 點，而被廣泛采用。
標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置 ( 以下簡稱 “裝置”)是以標(biāo)準(zhǔn)流量計 ( 可以是速度式流量計、容積式流量計、臨界流流量計、質(zhì)量流量計和熱能表等)為標(biāo)準(zhǔn)器，使流體在相同時間間隔內(nèi)連續(xù)通過標(biāo)準(zhǔn)流量計和被檢流量計，比較兩者的輸出流量值，從而確定被檢流量計的計量性能。標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由流體源、試驗管路、標(biāo)準(zhǔn)流量計、計時器和控制系統(tǒng)等五部分組成［1］。
標(biāo)準(zhǔn)表法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置經(jīng)過多年的發(fā)展，已比較成熟，但是也有如下不足。 ( 1) 試驗管段絕大多數(shù)都是水平管段，無法檢測類似于玻璃轉(zhuǎn)子流量計等需要豎直試驗管段的流量計。 ( 2) 標(biāo)準(zhǔn)流量計需要從裝置拆下來再安裝到更高精度的質(zhì)量法/容積法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上去溯源，拆裝麻煩、工作量大。 ( 3) 對于檢測超低頻脈沖輸出的流量計 ( 特別是容積式流量計) ，檢測時間長，檢測效率低。
2 裝置的研制
蘇州市計量測試院于 2015 年建成一套包含質(zhì)量法、容積法和標(biāo)準(zhǔn)表法三種方法的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，流量范圍: 1 ～ 1 000 m3 /h; 測量口徑: DN 15 ～ 250 mm。相關(guān)參數(shù)及用途見表 1。
近年來，隨著業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置已經(jīng)無法滿足日常工作的需求，急需再增加一套。通過對近幾年客戶送檢較多的流量計做統(tǒng)計，主要為口徑從 DN 15 ～ 100 mm、準(zhǔn)確度等級為1. 0 級及以下的液體渦輪流量計和電磁流量計，再加之液體浮子流量計的送檢量不斷增大，因此建立一套標(biāo)準(zhǔn)表法的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，比較符合現(xiàn)在的情況。該套裝置應(yīng)符合以下要求。
( 1) 具備豎直試驗管段，用于檢測液體浮子流量計。
( 2) 為避免標(biāo)準(zhǔn)表由于周期檢校需要拆裝帶來的工作量和時間上的耽誤，裝置后端增加電子天平，用于標(biāo)準(zhǔn)表的溯源和期間核查。
( 3) 在被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表端分別設(shè)置計時器，使用雙 計 時 法，用于檢校超低頻脈沖輸出的流量計。( 4) 考慮到需檢測小口徑 DN2 ～ DN10 的液體浮子流量計，裝置測量口徑為 DN2 ～ 100 mm、測量范圍為 5 ～ 100 000 L /h，裝置擴展不確定度 Urel應(yīng)不大于 0. 25% ( k = 2) 。
根據(jù)以上要求，對該標(biāo)準(zhǔn)表法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進行了初步設(shè)計，如圖 1 所示。
裝置控制由 PLC、水泵和變頻器共同實現(xiàn)。同 時，PLC 還承擔(dān)閥門開關(guān)的控制和傳感器信號的采集。電控系統(tǒng)軟件部分分為上位機檢定系統(tǒng)和下位機控制系統(tǒng)。上位機由采用圖形化編輯語言的 LabVIEW 軟件設(shè)計開發(fā)，其主要完成參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)處理、過程監(jiān)控等功能。下位機由可編程邏輯控制器 PLC 實現(xiàn)，主要功能是電機控制、傳感器信號采集、編碼器輸出脈沖采集、計時和閥門控制等。 3 雙計時檢測方法簡介
3. 1 雙計時法原理
檢定流量下的示值誤差［2 － 4］
同一臺流量計，一般在同yiliu量點下，示值誤差認為相同，則:
由式 ( 1) 和式 ( 2) 可得:
式中: Vc 為流量計脈沖當(dāng)量體積; N 為流量計脈沖數(shù); tn 為 N 對應(yīng)的測量時間; Qsc為 tn 時間內(nèi)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體積。
由式 ( 3) 可知，流量計脈沖當(dāng)量體積與兩標(biāo)準(zhǔn)體積有關(guān)，或與兩測量時間有關(guān)，稱為雙計時測量法。
3. 2 檢測舉例
檢測一臺準(zhǔn)確度等級 1. 0 級、流量范圍為 1 ～ 10 m3 /h、低頻脈沖輸出的渦輪流量計，脈沖當(dāng)量體積 VC = 0. 126 8 L /P。根據(jù)渦輪流量計檢定規(guī)程的要求［5］，“一次檢定中流量計輸出的脈沖數(shù)的測量結(jié)果由分辨率帶來的相對不確定度不大于被檢流量計#大允許誤差覺對值的 1 /10”，當(dāng)檢測#小流量點 1 m3 /h 時，脈沖數(shù)應(yīng)不小于 1 000 個，則每次檢測所需的時間:
當(dāng)每次檢測所采 集 的 脈 沖 數(shù) 分 別 為 1 000、 500、300 和 132 時，所需時間和示值誤差如表 2所示。
檢測結(jié)果表明，在#小流量點下，使用雙計時法檢測低頻脈沖輸出的流量計，在保證裝置#短測量時間 ( 60 s，共采集約 132 個脈沖) 的前提下，示值誤差試驗結(jié)果與滿足規(guī)程條件 ( 456 s，共需采集 1 000 個脈沖) 相比，仍處可接受的范圍( 示值誤差之差#大為 0. 25% ) ，而檢測效率提高了約 7 倍。
4 裝置的不確定度評定
根據(jù) JJG 643—2003 《標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置》，裝置的不確定度來源主要有標(biāo)準(zhǔn)表、檢定標(biāo)準(zhǔn)表的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置以及計時器。 4. 1 標(biāo)準(zhǔn)流量計的測量 A 類不確定度 u1本裝置由 6 臺標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計組成，相關(guān)信息及參數(shù)如表 3 所示。
據(jù)表 3 參數(shù)得:
4. 2 檢定標(biāo)準(zhǔn)表的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的 A 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u2
檢定標(biāo)準(zhǔn)表的質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置其擴展不確定度 U = 0. 05% ( k = 2) ，則:
4. 3 計時器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度
計時器 A 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度公式為
計時器 B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度公式為:
裝置的#短測量時間 tmin = 60 s，則:
被檢 表 端 計 時 器: u1A = 0. 000 5% ，u1B = 0. 000 6% ;
標(biāo) 準(zhǔn) 表 端 計 時 器: u2A = 0. 0004% ，u2B = 0. 000 6% 。
4. 4 裝置合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度 uc
由于標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量互不相關(guān)，則:
4. 5 裝置擴展不確定度 Urel
5 結(jié)語
基于雙計時法的標(biāo)準(zhǔn)表法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是建立在連續(xù)性方程的理論基礎(chǔ)之上，是解決被檢表和標(biāo)準(zhǔn)裝置不同步的一種新方案，特別適用于超低頻脈沖輸出的流量計檢定。在不顯著加大裝置擴展不確定度的前提下，縮短檢定時間，提高檢定效率。本裝置還配備了豎直試驗管段，可開展液體浮子流量計的檢校工作。此外，在標(biāo)準(zhǔn)表后端增加電子天平，用于標(biāo)準(zhǔn)表的溯源和期間核查，避免經(jīng)常拆裝帶來的麻煩，降低標(biāo)準(zhǔn)表損壞的可能性。
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