静态容积法质量法流量标准装置的标定及准确度计算方法

静态容积法质量法流量标准装置的标定及准确度计算方法

一、装置的技术要求

液体流量标准装置由稳压水源、管路、试验段、流量调节阀、工作量器、换向器、计时器和装置的控制台组成。

一般来说，稳压水源的压力波动要小，工作介质应清洁；在试验管路中局部阻力件要尽量的少，管路通往工作量器出口的横截面积不能大于试验段管路的横截面积，管路内不能产生负压；试验段上游端应有足够长的直管段，调节阀应安装在试验段的下游，调节阀要稳定(即开度在试验过程中不改变)。试验段要满足被检流量计的要求。现对节流装置和涡轮流量传感器的规定如下：

1.流量测量节流装置

流量测量节流装置的直管段长度要求是比较严格的，由于流体的流动在节流装置前1D处必须达到充分发展的紊流速度分布，因此在节流装置前要有一段足够长的直管段，这段直管段和节流件前的局部阻力件形式以及节流件的直径比β有关，国际标准ISO51672003(E)中规定的直管段长度对孔板上下游所要求的最小直管段长度如表4-2所示。对喷嘴和文丘里喷嘴所要求的直管段长度如表4-1所示。

2.涡轮流量传感器前直管段长度

在涡轮流量传感器的规程中，盲管段长度采用下式计算：

式中：D_N——涡轮流量传感器公称通径；

K_n——涡旋的速度比；

f——管道内的摩擦系数，在紊流状态下，f=0.0175；

L——直管段长度。

K_n可由传感器前的管路情况而定，可分为五种情况：

(1)涡轮流量传感器前管路为同心收缩，K_n=0.75；

 

(2)涡轮流量传感器前管路为弯头，K_n=1.00；

(3)涡轮流量传感器前管路为双弯头，K_n=1.25；

(4)涡轮流量传感器前阀门全开，K_n=1.00；

(S)涡轮流量传感器前阀门半开，K_n=2.5。

工作量器的使用部分要有观测水位的玻璃管或装有读数的游标尺或装有灵敏的触点。游标尺的宽度不大于0.2mm，玻璃管的内径不小于15mm。

换向器的结构应是对称的，工作时不能溅水。换向器的行程时间差应根据装置的准确度要求而定，一般对于电动式不大于50ms，对气动式不大于lOOms。即其行程时间差愈小愈好，目前很多装置都把触点安装在换向器的几何中心位置，这样可减小时间差，提高换向器的准确度。

计时器应不受其他信号的干扰。

装有计时器、计数器的流量控制台，不应对装置产生附加的误差。

二、装置的检定条件

1.标准设备和仪器

(1)检定工作量器用的标准量器，其不确定度应优于工作量器的不确定度。

(2)检定衡器(如电子秤或机械称)用标准砝码，其不确定度应优于衡器不确定度。

(3)检定计时器用标准计时器，其不确定度应优于计时器的不确定度。

2.辅助设备和仪器

(1)温度计：量程为O℃~5O℃，分度值为O.1℃。

(2)秒表：分度值为O.Ols。

(3)换向器检定、测量时间内的流量稳定性检定和启停效应检定用的流量计，稳定性好、响应速度快，并应有脉冲信号输出。

3.检定介质

检定介质应是单相清洁水或实际使用的液体。

三、装置的标定

1.工作量器的标定

(1)检定前的准备工作

工作量器在标定前，要储有足够量的和室内温度一致的清洁水，并保持稳定，以保证工作量器在一次检定过程中水温变化不超过1℃。

(2)工作量器的密封性检验

将工作量器充满水后停留一小时，在此期间不能有渗漏现象。

(3)工作量器零位的确定

工作量器在标定时应规定放水时间，以保证零位的稳定。

(4)工作量器的使用部分的检定点不能少于三个。

(5)按照标准量器的使用方法，将水放入工作量器中，直到水位升到工作量器的下限，调正标尺上的游标(或触点式采用摄像与计算机图形识别技术采集容器液位。)，使标线与玻璃管内的水柱弯月面下沿相切，在标尺上读取该点的水位高度。

 

(6)再选用适当量限的标准量器继续检下去，直到工作量器中的水位升到上限，并将每个检定点的水位高度记下。

(7)由标准量器向工作量器内注水之前，测量标准量器中的水温，工作量器内的水温至少要在水位升到使用下限和上限时测量两次。5~7的检定过程叫做一次检定。

(8)按(5)~（7)继续做第二次、第三次直到第n(n≥10)次检定。某次检定过程中若水温变化超过1℃，则该次检定数据应舍去，把其他有效数据记下。

(9)如果标准量器，工作量器内的液体温度和室温不同时，并在(20±)℃以外时，按下式将工作量器的容积修正到温度为20℃时的容积：

式中：α₁——工作量器标尺材料的线膨胀系数；

α₂——工作量器材料的线膨胀系数；

α₃——标准量器材料的线膨胀系数；

β_W——水的体膨胀系数。

如果标准量器、工作量器内的液体温度和室温相同时，并在(20±5)℃以外时，按下式将工作量器的容积修正到20℃时的容积：

(10)按标定的数据计算各检定点的不确定度：

a.平均高度值

b.残差

c.标准偏差

d.标定点单次A类相对标准不确定度：

式中：K——检定点处工作量器的有效横截面积。

K的计算方法如下：设L_j、V_j分别表示第j点的平均高度和容积值；L_j+1、V_j+1及L_j-1、V_j-1分别表示检定点相邻上下两检定点的平均高度和容积值，则第j检定点的K值为

e.由计算出的U_rA(V)中比较出检定点中单次测量A类的最大的相对不确定度U_max(V)。

工作量器总的A类相对不确定度U_cr(V)，由其标定的最大A类相对不确定度和标定工作量器用的标准量器的B类相对不确定度U_rB(V)组成，即

式中：U_rB(V)——标准量器的不确定度。

标定工作结束后，标尺上要打上固定的印记。

例〕设标定水流量标准装置2000L工作量器，标定该缩颈量器采用二个标准量器，即500L和50L，其线膨胀系数分别为

工作量器的材料和其标尺的材料相同

其标定温度试确定2000L工作量器的相对标准不确定度。

解如标定序号为1，标定点为1550L。

①先将标定温度下的容积换算成标准情况下的容积，对500L标准容器：

对50升标准容器：

标准偏差：

⑤由tα分布系数表查得

⑥标定点单次测量A类相对标准不确定度：

⑦工作量器的扩展不确定度：

其他标定点数据处理列于表8-1。

2.衡器检定

(1)当标准砝码的总质量小于衡器使用量限时，允许采用替代法。

(2)液体重量和容器重量之和称为皮重。衡器的使用上限和使用下限分别为最大皮重和最小皮重。

(3)衡器检定点的选择。在使用量限范围内至少取10个均匀分布J点，用标准砝码逐点加载到j(j=1，2，…，m，m≥10)点，加载m之后完成第一次检定。分别记录各检定点加载的砝码质量m_j，衡器示值R_mji；再从j=m逐点卸载到j=1，完成第二次检定。分别记录各检定点卸载标准砝码质量m_j，衡器示值R_mj2。

(4)重复第3条的步骤(或程序)进行n(n≥10)次检定，得到m_j，R_ji（i=1，2，…，n）

(5)计算衡器检定点的不确定度。

a.负载（m_j+Ro)时，第j点第i次测量的差值：

式中：Ro——空容器n次测量衡器的示值的平均值。

b.第j点的平均值

c.衡器第j点每次测量的A类相对不确定度

d.衡器第j点B类相对不确定度

e.A类相对不确定度

u_ra(m)=[u_ra(m)]_max(8-10)

f.B类相对不确定度

u_rB(m)=[u_rBi(m)]_max(8-11)

(6)静态质量法水装置衡器(电子秤)检定的计算实例

电子秤的最大称量为3000kg，称量范围为lOOO~3000kg；检定数据及处理结果如表8-2。

3.换向器行程时间差

(1)流量计法

换向器的行程差是用试验的方法确定的，然后根据行程差，可以计算出其A类和B类相对标准不确定度。

换向器时间差测量方法：

①在被检换向器所在的台位试验段上，被检流量计位置安装一台与试验段公称直径和流量量程比相同的带有电信号输出的涡轮流量传感器(或电磁流量计等)。

②用流量调节阀，将装置的检定台位流量调到最大值。

③稳定10min后，按正常流量的测量方法，做一次流量测量，并记录注入工作量器中水的体积V_ll，测量时间t_ll和涡轮流量传感器总的脉冲数N_ll。

④在流量基本不变的情况下，操纵换向器(为保持气压稳定，可将换向时间间隔适当延长)往复换向m(m≥10)次。使一系列累积测量的总时间与正常流量测量时间大致相同。再记录注入工作量器中水累积的体积V_2i，累积测量时间t_2i和传感器累积总脉冲数N_2i。

⑤按第3、4条的方法，重复作n(n≥10)次试验，得到相应的V_li，V_2i，…;t_1i，t_2i，…;N_1i，N_2i，…(i=1，2，…，n)

⑥计算换向器的不确定度

a.按公式(7-69)计算换向器第i次检定的时间差Δt；

b.计算换向器A类和B类相对标准不确定度

时间差的平均值：

换向器B类相对标准不确定度：

残差：

标准偏差：

(8-12)

换向器A类相对标准不确定度：

式中：为在最大流量时换向器时间差的A类相对标准不确定度。

⑦再将检定台位的流量调到最小流量，按第③~⑥条的检定程序和计算方法，确定最小流量时换向器的B类和A类相对标准不确定度。

?根据最大和最小流量检定结果，选取其中最大的B类相对标准不确定度作为换向器的B类相对标准不确定度选取最大的A类相对标准不确定度作为换向器的A类相对标准不确定度。

〔例〕检定装置中D_N100mm管径台位的气动换向器，最大流量qv_max=204m³/h，最小流量qv_min=24m³/h，试验管段为100mm；用涡轮流量传感器定点使用，其准确度为±(0.05~0.1)%，其测量结果如表8-3、表8-4所示；试计算换向器的B类相对标准不确定度和A类相对标准不确定度。

解在最大流量qv_max=204m³/h，测量换向器的时间差Δt；如表8-3。

时间差的平均值：

在最小流量qv_max=24m³/h下测量换向器的时间差平均值

所以，换向器的B类和A类相对标准不确定度分别为0.0026%和0.012%。

(2)行程差法

①将流量调到换向器所在台位的检定流量(如最大流量点)，稳定一段时间。

②操作换向器的控制开关，使换向器换入、换出测量容器，换向器运转后如正常，再操作换向器，使换向器换向n(n≥10)次，分别将换向器的换入和换出时间记作t_li和t_2i。

③计算换向器的A类和B类相对标准不确定度

按公式(7-70)计算换向器换入的时间t_li的平均值；按公式(7-71)计算换向器换出时间t_2i的平均值。

按公式(7-72)计算换入时间t_li的A类相对不确定度U_rA(t_l)；按公式(7-73)计算，换出时间t_2i的A类相对不确定度U_rA(t₂)。

换入和换出时间A类不确定度的合成：

按公式(7-24)计算换向器B类相对标准不确定度：

④用行程差法检定换向器的实例

换向器检定记录及数据处理见表8-5。

用行程差法检定换向器的总的不确定度

(3)流量计法和行程差法检定结果的比较见表8-6。

同一个台位，同一个换向器，用不同方法检定，其结果不同，有时还差一个数量级。问要取何值，按法定的标准或规程应取方法中最大的不确定度为好。这就要求制订标准或规程的专家慎重采取方法，或多作试验，采用一种最科学、最可靠的方法。

4.计时器的检定

根据JJG180-1978电子计数器石英晶体振荡器试行检定规程，检定计时器有两种误差，一是晶体振荡频率的稳定度E_f，一是计时器计时的A类不确定度U_rA(t)

(1)计时器晶振频率稳定度的检定

①将计时器晶振输出接到标准计时器的计数输入端口，接通两计时器的电源。

②预热一小时后，每隔一小时读一次数频率值f_i，共读8次。

③计算晶振频率稳定度：

式中：

f_imax——f_i中最大值，Hz；

f_imin——f_i中最小值，Hz；

f₀——标称频率值，Hz。

E_f应不低于静态容积法(或质量法)液体流量标准装置给出流量值扩展不确定度的1/10。

(2)计时器准确度的检定

①计时器按台位分别进行检定。

②按图8-1所示，连接计时器与标准计时器，接通两者的电源，两计时器的启、停应保持同步。

③以本台位使用的最短测量时间(t_min)为时间间隔，启停计时器，读取计时器值(t_i）和标准计时器值(t_oi）完成一次检定。

④重复③款，进行n(n≥6）次检定，得出t_i，t_oi(i=1，2，…，m）。

⑤计算计时器检测时间的A类相对标准不确定度U_rA(t)

计算差值：

平均值：

计时器B类不确定度：

计时器检测时间的A类相对标准不确定度：

标准计时器的B类不确定度，按矩形分布，则

式中：U_rBs(t)——标准计时器扩展不确定度。

⑥计算计时器合成不确定度

〔例〕用E312型电子计数式频率计作为振源，用Dataprecision5845计时器作标准，其扩展不确定度U_rBs(t)=1×lO^-6检定XPR-2型时频仪，测试结果如表8-7，试确定B类和A类不确定度和XPR-2型时频仪准确度。

5.装置稳定度测量

实践证明，尽管采用了水塔或专用的稳压容器，但总还可以发现还有一部分未消除的脉动，使流量不稳定，因而应对其所引起流量不稳定度作出评定。

(1)影响稳定度的因素

装置的稳定度是综合评定其好坏的主要指标之一，影响稳定度的因素有：压力、水泵、管道、阀门和自动调节系统以及数据采集和处理等。

①水塔(或容积稳压器)液位波动，即在试验的过程中，有效压头是否保持恒定或者波动多大的范围才能达到所要求的效果，满足准确度的要求。根据流量方程式：

若在一定的温度下则上式变为

若α，A₀，g对确定的装置是常数，则

②以图8-2用水塔法稳压的流量标准装置为例，分析其影响因素。

完整的流量公式：设水塔水面为基准面I-I，在试验段出口处选取一点作第二截面，然后列出I-I，Ⅱ-Ⅱ的伯努力方程式：

式中：

Z₂——有效水头高度，即Z₂=h；

ρ₂——试验段出口处表压力；

ρ₀——大气压力。

由于上式变为

设：

则

对于一定的试验装置，d，g是常数，如h'=常数，则流量的稳定度完全由h'和Sx来决定，至于局部和沿程损失系数之和Sx对稳定度的影响须用试验的方法测定出来，正如流量系数α不能用计算的方法确定一样。至于其他影响稳定度的因素，还有如介质的纯度、周围的电磁干扰、震动等，这些都可以设法消除。现在，稳定度不作为装置的考核指标，在检测结果中有时候装置的不确定度高而稳定性特差。如某公司质量法装置的不确定度为0.05%，而稳定性；用二种方法测试结果累积时间内稳定性0.03%，各累积时间之间稳定性0.2%。

(2)稳定度的检定

①如果装置分若干个台位，可按台位分别做稳定度检定。

②对装置(台位)进行最大流量稳定度检定时，要使用该装置最大工作量器的最大量限；

对最小流量稳定度检定时，使用最小工作量器的最小量限。

③开动装置，用流量调节阀把台位流量调到最大，并使装置循环10min，装置稳定后连续测量以n（n≥10）次流量。

④把流量调到最小值；按③所述做小流量检定。

⑤稳定度的计算；

平均流量：

残差：

标准偏差：

流量稳定度：

根据最大和最小流量测定结果，选取其中最大的流量稳定度(E_qv)_max作为流量稳定度。

〔例〕检定某厂的水流量标准装置1#台位，其管径D_N100mm，作最大流量时稳定度试验，使用工作量器2000L，最大流量qv_max=250m³/h，试验结果如表(8-8)，试确定最大流量的稳定度。

四、流量标准装置的不确定度

1.静态容积法水流量标准装置的不确定度

式中：

——工作量器标定的扩展不确定度；

——标定工作量器的标准量器的不确定度；

——计时器A类相对标准不确定度；

——计时器B类相对标准不确定度；

——换向器用行程差法检定时换入时间的A类相对不确定度；

——换向器用行程差法检定时换出时间的A类相对不确定度；

——换向器用行程差法检定时B类相对不确定度。

2.静态质量法水流量标准装置的不确定度

式中：

U_rA(m)——衡器(或电子秤)标定的A类相对不确定度；

U_rB(m)——衡器(或电子秤)标定的B类相对不确定度；

其他符号与式(8-20)同。

五、静态法水流量标准装置标定实例

1.静态容积法标定实例

(1)装置测量扩展相对标准不确定度见表8-9。

(2)计算静态容积法装置的扩展不确定度由公式(8-20)计算：

2.静态质量法标定实例

(1)装置测量的不确定度，见表8-10

(2)计算静态质量法装置的相对标准不确定度用公式(8-21)计算：

3.容积法装置的稳定度

 

详细介绍：

静态容积法质量法流量标准装置的标定及准确度计算方法

动态法液体流量标准装置检定及其不确定度计算方法

标准体积管的标定和不确定度评定

钟罩式气体流量标准装置标定和不确定度计算方法

ｐ.V.T.t法气体流量标准装置的检定

三相流装置的标定

标准流量计法流量标准装置的标定方法

 

详细介绍：

●静态容积法质量法流量标准装置的标定及准确度计算方法

●动态法液体流量标准装置检定及其不确定度计算方法

●标准体积管的标定和不确定度评定

●钟罩式气体流量标准装置标定和不确定度计算方法

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