等精度传递理论在气体流量量值传递中的应用

0 引言

气体流量标准装置是对各种类型气体流量计进行量值传递，能提供确定准确度的流量标准设备。按其工作原则分类，主要有钟罩式气体流量标准装置、音速喷嘴法气体流量标准装置、PVTt法气体流量标准装置和标准表法气体流量标准装置。前三种标准装置各具特点，其基本特性是，提供的标准流量值稳定、可靠、准确度高。但对于普通气体流量计的检定来讲，其成本高，效率低。标准表法气体流量标准装置因其量值是由前三种标准装置传递的，固其准确度相对低，标准表的周期检定频繁，并且存在着标准表的检定和使用条件是否相同等问题，但对于普通气体流量计的检定有着效率高成本低的优点。综合几种气体流量标准装置的特点，河北省计量科学研究院为了解决本省气体流量量值传递的需要，应用等精度传递理论，于2006年建立了以音速喷嘴为主标准，以气体涡轮流量计为工作标准的高精度大流量气体流量标准装置。

1 等精度传递理论

等精度传递的定义是指，在流量量值传递中只要满足计量学的相同性基本原则。即流量计检定和使用时流体的流动特性相同。流体的介质特性相同，几何特性与检定过程相同，流量点相同。那么流量基准或标准的所复现的流量单位量值将会等精度传递给工作流量计，下面举例论证：

JJG198-80涡轮流量变送器检定规程规定，其检定准确度由式（1）确定

式中，Δ1为流量标准装置的准确度；Δ2为流量计的重复性（仪表系数相对极限误差最大者表示）；Δ3为流量计仪表常数的非线性误差。

若在检定过程中满足流体的流量特性、介质特性、几何特性及检定特性等相同性原则。并把流量计的检定流量点作为使用流量点，则在满足上述条件下，式（1）中的Δ3便可忽略不计。流量计准确度为：

当Δ2Δ1时，则δ?Δ1。即当被检流量计的重复性（随机误差）远小于流量标准装置的准确度时，被检表的准确度便近似等于流量计标准装置的准确度，我们知道，在测量流体的流量测量中，容积式流量计和涡轮流量计，在定点使用时，其重复性是非常好的，一般可达到0.05%，甚至更高。另外，由误差理论中随机误差的特性，我们还知道在测量条件不变的情况下，进行等精度多次重复测量时，随着测量次数的增加其重复性（随机误差）将会随着测量次数的增加而减少。从理论上讲，当测量次数为无穷大时，其重复性将趋于零。因此，依据流量计和随机误差特性，完全可达到如上假设条件，所以等精度传递理论在实际中是完全可以实现的。

综上所述，可得出如下结论，应用计量学相同性基本原则指导流量计测量过程，便可实现流量量值的等精度传递，从而大大提高计量器具的使用准确度。

2 等精度传递理论在气体流量量值传递中的应用

2.1 装置的组成

装置组成示意图如图1所示。

图1 气体流量标准装置原理示意图 2.2 装置的工作原理

本装置是音速喷嘴法与标准表法相结合的气体流量标准装置，两套装置共用一套被检表实验管路，共用一套数据采集传输和处理系统，具有各自独立的气源。音速喷嘴法系统依靠计算机控制气环真空泵产生负压，由音速喷嘴组产生标准气体流量；标准表法系统依靠计算机采集标准流量计组的流量并控制风机的抽气量产生标准流量。音速喷嘴组或标准流量计组产生的标准流量按流体连续原理通过被检表，从而检测被检流量计。

整套装置分为3个相对独立的测量子系统，采取3种方法进行检测，分别是：音速喷嘴法检测标准涡轮流量计系统，主要是对标准涡轮流量计进行“在线标定”，实现一级量值传递；音速喷嘴法检测被检流量计系统，标准器为音速喷嘴，其流量范围为1~1723m3/h；标准表法检测被检流量计系统，主要是由标准涡轮流量计拓展量程，总计选用5台标准涡轮流量计，DN80标准涡轮流量计的测量范围为13~250m3/h，DN150标准涡轮流量计测量范围为80~1600m/h，根据被检表的量程范围，选择并联运行标准涡轮流量计的个数，流量上限为6400m3/h。

2.3 装置达到的主要技术指标

1）流量范围：音速喷嘴法气体流量装置为1~1723m2/h（工况流量）；标准表法气体流量装置为25~6400m2/h（工况流量）。

2）音速喷嘴法气体流量装置不确定度：0.32%（k=2）。

3）标准表法气体流量装置不确定度：0.32%（k=2）。

4）管路口径：DN15、DN20、DN25、DN40、DN50、DN65、DN80、DN100、DN125、DN150、DN200、DN250、DN300共13种。

5）流量稳定性：音速喷嘴法气体流量装置小于0.08%（k=2）；标准表法气体流量装置小于0.93%（k=2）。

6）测量分辨力：压力0.001kPa，温度0.01℃，瞬时流量0.001m3/h，累计流量0.001m3，时间0.001s。

7）时钟稳定度：510-6。

8）最短测量时间：20s。

2.3 装置的主要特点

1）本装置采用音速喷嘴法和标准表法相结合的设计方案。音速喷嘴可视为本装置的溯源标准，其功能除了直接承担在一定流量范围内对部分被检流量计通过计量检定进行量值传递外，其主要功能则是同一系统的标准表（涡轮流量计）在满足计量学基本原则的前提下进行在线标定，以确定标准表在不同工作流量下的仪表系数。

2）接受音速喷嘴量值传递后的标准表，在条件不变的基础上（流动特性不变、介质特性不变和流量点不变），而在标定流量下使用其平均仪表系数对下级的被检流量计进行流量量值的传递，而该流量下所使用的平均仪表系数是由音速喷嘴给出的，其精度只取决于音速喷嘴本身的精度及该流量下仪表系数的分散性，且仪表系数的分散性将随着测量次数的增加而减小。若分散性（用Kλ表示）远小于音速喷嘴的精度时，便意味着标准表与音速喷嘴具有了等量的精度，或者说，溯源标准（音速喷嘴通过中间标准（标准表））在没有精度损失条件下，对被检流量计进行量值传递。

3）在上述基础上，标准表选择多台并联，以满足扩大流量范围的需要，充分利用了音速喷嘴测量精度，而标准表并联后的量程宽之特点进行了优势互补，扩大了装置的流量范围。

3 结论

1）应用等精度传递理论将音速喷嘴的准确度高和气体涡轮流量计量程宽，重复性好的优势整合，建立了气体流量标准装置。即保证了整套装置的准确度，又拓展了流量量值传递范围。

2）对标准表选择的条件，在量程满足检定要求的情况下，重复性要好。

3）等精度传递理论的基础是计量学基本原则与误差理论的有机结合，其实质是在计量过程中消除计量器具的系统误差和由检定与使用条件不同而引入的附加误差。

4）指出计量学基本原则的简单方法是在线检定。(end)