张宏廷

中石油煤层气有限责任公司计量检定站 （陕西 西安 710082）

0 引言

近年来， 随着煤层气公司在计量管理上的日臻完善，越来越多的气体流量计需要进行检定。作为公司计量检定站责无旁贷地承担起了这项工作， 但是在委外检定过程中，出现了诸如送检周期较长、运输过程中可能导致仪表失准等多方面的问题。 为此建立了一套气体流量计检定装置。

气体流量测量是一项较为复杂的技术， 被测量气体的流动状态、温度、压力等都会引起流量测量结果的变化。 同时流量计作为直接统计产气量的计量器具，又要求其必须在规定的精度范围内运行，如果没有一个统一的流量测量仪表可靠性和准确度的保证方法，要保证大规模生产的要求，要保证贸易的平等互换是不可能的。

目前传统气体流量计的检定一般采用临界流喷嘴气体流量标准装置，该类标准装置精度高、稳定性好。 但其一次投资成本高、占地面积大，噪声也需要特殊处理。 而标准表法流量标准装置成本低、效率高，检定范围容易拓宽，能够满足一般仪表的精度要求。 目前，随着自动化和计算机技术的发展，为提高标准表法流量标准装置的准确度和检定效率提供了新的技术手段。 在经过多方比较调研之后，决定采用国内某知名厂家的LLH 系列标准表法气体流量标准装置（以下简称标准表法装置），对该套装置的基本原理及不确定度评定进行详细地介绍。

1 装置的组成及工作原理

标准表法装置选用高精度的罗茨流量计或涡轮流量计作为标准流量计， 依据标准表法装置检定规程，对容积式、涡轮和速度式流量计进行出厂检定和周期检定或校准。

1.1 结构示意图与组成

标准表法装置主要由标准表、罗茨泵、直管段、控制设备及数据采集和处理系统组成（图1），本装置采用的是负压标准表法， 其设计及检定的依据是JJG 643—2003《标准表法流量标准装置》设计的流量范围为2.5～400 m3/h， 三个台位， 可对DN25～DN80 的气体流量计进行检定。

1.2 工作原理

标准表法装置的基本原理是在一段密闭流动的管道上稳定（温度、压力变化在允许范围之内）运行的条件下，依据质量守恒定律，同时记录标准流量计和被检流量计的体积流量，经温度、压力修正后确定被检表的偏差，再加上标准装置的不确定度，便获得被检流量计的不确定度，如图2 所示。

图2 中装置是负压的工作方式， 洁净空气在气环真空泵的作用下，首先经过过滤器进入进气罐，然后依次经过阀门1、标准表、阀门2、稳压罐、软管1、前直管段、被检表、后直管段、软管2，最后经气环泵排出。根据检定流量的大小，通过自动闭环调节变频器和流量调节阀调节来确定流量。

图1 标准表法装置结构示意图

在检定过程中， 计算机通过PLC 控制器采集，处理标准表和被检表的温度、压力和脉冲信号，根据公式（1）首先计算出被检表的仪表系数Kvt，然后依据检定规程计算被检表的基本误差和重复性[1]。

式中：Pt、Psi分别是被检表和第i 检定点标准表的压力，Pa；Nt、Nsi分别是被检表和第i 检定点的标准表的脉冲数， 个；Tt、Tsi分别是被检表和第i 检定点标准表的温度，℃；Kvt、Ksi分别是被检表和第i 检定点标准表的仪表系数，1/m3。

图2 检定原理图

2 不确定度分析

设备安装完成之后， 为了验证其是否满足仪表检定， 在进行了一系列重复性和稳定性试验的基础上，对其结果的不确定度进行了评价。

2.1 重复性试验

选一台涡轮流量计，口径为DN80，测量范围为2.5～250 m3/h、准确度为1.5 级。 在重复性条件下，用本装置对规定流量点重复测量10 次， 得出一组数据，再用贝塞尔公式计算测量重复性，结果见表1。

利用重复性计算公式，得出上述10 个点的重复性数据分别为：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 作为标准装置的重复性，根据JJF 1033—2016《计量标准考核规范》[2]， 所得的重复性应小于合成标准不确定度，该装置的标准不确定度u=0.32%，s（K）＜u，重复性满足要求。

2.2 稳定性考核

为了验证累积时间之间的流量稳定性， 选定一台TBQZ-80B 涡轮流量计，测量结果（示值误差）见表2。

2.3 检定或校准结果的测量不确定度评定

2.3.1 流量计算的数学公式

本标准装置是以标准流量计为标准器， 使流体连续通过被检流量计和标准流量计， 比较二者一段时间内的累积流量值， 从而确定被检流量计的计量性能。根据气体状态方程，将通过标准表的气体流量修正到被检表的温度、压力状态下的流量，其流量计算的数学公式[3]为：

2.3.2 测量不确定度评定的数学模型

不确定度评定数学模型见公式（3）：

表1 标准表法气体流量标准装置重复性试验表 /（m3·h-1）

表2 2017 年标准表法气体流量标准装置稳定性考核表 /( m3·h-1)

式（2）、（3）中：Qm、Qs分别为标准表和被检表的累积流量，m3/h；tm、ts分别为被检表和标准表处的温度测量值，℃；Pa为大气压力测量值，kPa；Ps、Pm分别为被检表和标准表处的压力测量值，kPa；Zm、Zs分别为被检表和标准表处的压缩因子；A 为控制系统计数值的影响量。

2.3.3 测量不确定度一览表

标准表法气体流量标准装置合成不确定度主要包括标准表流量值、被检表处温度值、标准表处温度值、大气压力值、标准表处表压力值、被检表处表压力值、控制系统计数值的影响量、重复性测量不确定度等（表3）。

表3 测量不确定度一览表

1）标准流量计准确度为0.3 级，按JJG 643—2003《标准表法流量标准装置检定规程》[4]，标准流量计仪表系数基本误差的置信概率为95%，按正态分布估计，其标准不确定度为：ui(xi)=0.3%/2=0.15%。

2）温度测量仪表为0.2 级铂电阻，测量范围为10～35 ℃，常用温度为18～22 ℃，最大允许误差为：最大允差为±0.1 ℃，相对误差为δ=0.1/（273.15+22）=0.03%。按均匀分布估计

3）压力变送器准确度为0.2 级，测量范围为0～3 000 Pa，最大允差为3.0 Pa，设常用差压值为300～1 000 Pa，最大测量误差为：Δp=3.0/（101 325-1 000）=0.003%。

4）重复性测量不确定度分析，选用一台涡轮流量计进行测量[5]，测量误差结果见表4。

表4 测量误差结果 /%

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

其中，S(xi)为6 次测量误差结果的平均值；ui为整套装置测量误差结果的不确定度。

3 检定或校准结果的验证

选定一台罗茨流量计进行对比验证， 型号G160，准确度等级为1.5 级，出厂编号21001966，经陕西省计量科学研究院（以下简称省院）标准装置检定,对比本标准表法空气流量标准装置，结果见表5。

由检定结果可知， 比对结果的最大误差小于其扩展不确定度0.32%， 所以此装置的总不确定度得到验证。

表5 检定结果验证

4 结论

在完成内部建标的试验之后， 邀请了陕西省质量技术监督局的相关专家，对建标工作进了考核。一致认为，所建计量标准器标准表法流量标准装置，其装置配套设备齐全、环境条件、检定人员等符合有关规定的要求，原始记录可由计算机系统自动生成，检定结果经不确定度分析、比对、验证等各项指标均符合JJF 1033—2016《计量标准考核规范》规定要求，可以开展对1.0 级以下速度式流量计、 涡轮流量计气体流量仪表的检定和校准工作。