等精度傳遞理論在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中的應(yīng)用

引言

水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是檢定各種類型液體流量計(jì),進(jìn)行流量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,依據(jù)其工作原理可分為靜態(tài)容積法(或質(zhì)量法)、動(dòng)態(tài)容積法(或質(zhì)量法)標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,前二種標(biāo)準(zhǔn)裝置的基本特點(diǎn)是:提供的標(biāo)準(zhǔn)流量量值穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確性高,但對于普通工作流量計(jì)的檢定,檢定成本高而效率低。標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)準(zhǔn)裝置因其量值是由前二種標(biāo)準(zhǔn)傳遞的,故準(zhǔn)確度較低,且標(biāo)準(zhǔn)表的周期檢定頻繁,但對于普通流量計(jì)的檢定效率高,而檢定成本低。河北省計(jì)量院于1986年研究建立的表態(tài)容積法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置最大口徑為80mm,準(zhǔn)確度為0.2%,作為河北省社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),為省內(nèi)流量量值的傳遞作出了一定貢獻(xiàn),但由于裝置本身口徑及特點(diǎn)所限,對于日益增加的大量不同種類流量計(jì)的檢定工作已無法勝任,因此建立一套經(jīng)濟(jì)適用,可滿足多種類型流量計(jì)量值傳遞所需要的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置已顯的尤為迫切。

1等精度傳遞理論

等精度傳遞的定義是指:在流量量值傳遞中只要滿足計(jì)量學(xué)的相同性基本原則,即流量計(jì)檢定時(shí)和使用時(shí)的流量點(diǎn)相同、檢定介質(zhì)與使用介質(zhì)物理特性相同、流量計(jì)檢定與使用的幾何特性相同、流量計(jì)檢定與使用過程中的操作過程相同,那么流量基準(zhǔn)(或標(biāo)準(zhǔn))所復(fù)現(xiàn)的流量單位量值將會(huì)等精度傳遞給工作流量計(jì)。下面舉例予以說明:在JJG643-94《標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程》中規(guī)定:當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)表定點(diǎn)使用時(shí),其準(zhǔn)確度δ為

式中,E1為標(biāo)準(zhǔn)表沒帶配套儀表一起檢定時(shí)引進(jìn)的附加流量誤差;E2為標(biāo)準(zhǔn)表檢定和使用條件不同時(shí)引進(jìn)的附加流量誤差;E為標(biāo)準(zhǔn)表的基本誤差。如下式得出:

式中,Es為檢定標(biāo)準(zhǔn)表用的上一級流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度(用極限相對誤差表示);Er為標(biāo)準(zhǔn)表的重復(fù)性(用單次測量極限相對誤差表示)將式(2)代入式(1)得:

由式(3)可以看出,如將標(biāo)準(zhǔn)表和其配套儀表一起檢定,同時(shí)盡量使檢定條件與使用條件一致,則E1和E2可以忽略不計(jì)。由式(3)可得出:

由式(4)分析可得出如下結(jié)論:當(dāng)ErnEs時(shí),則δ≈Es,即當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)表的重復(fù)性(單次測量的極限相對誤差)遠(yuǎn)小于檢定標(biāo)準(zhǔn)表用的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度(極限相對誤差)時(shí),標(biāo)準(zhǔn)表的準(zhǔn)確度便約等于檢定標(biāo)準(zhǔn)表用的上一級流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度。在各種流量計(jì)的特性中,某些作為標(biāo)準(zhǔn)表的流量計(jì)固定在某一流量點(diǎn)檢定時(shí),其重復(fù)性是非常好的。例如液體容積式流量計(jì)中的橢圓齒輪和腰輪流量計(jì)、速度式流量計(jì)中的渦輪流量計(jì)等。其重復(fù)性一般可達(dá)到0. 05%甚至更小。另外,在測量條件不變的前提下,對某量進(jìn)行等精度多次重復(fù)測量時(shí),隨著測量次數(shù)的增加,其重復(fù)性(隨機(jī)誤差)將會(huì)隨著測量次數(shù)的增大而變小。從理論上講當(dāng)測量次數(shù)n趨于無窮大時(shí),其重復(fù)性將趨于零。因此依據(jù)流量和隨機(jī)誤差的特性是完全可以達(dá)到如上假設(shè)的條件。所以等精度傳遞理論在實(shí)踐中是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

2等精度傳遞理論的實(shí)際應(yīng)用

靜態(tài)容積法標(biāo)準(zhǔn)表法互補(bǔ)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制。

2. 1裝置的組成

裝置由靜態(tài)容積法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置合并組成。裝置兼顧靜態(tài)容積法和標(biāo)準(zhǔn)表法的規(guī)范要求,合并相同的部分,將兩種方法有機(jī)融合。裝置按不同管路又分成大小兩組,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示

2. 2裝置的工作原理

2. 2. 1容積法工作原理

首先由水泵將水池中的水打入穩(wěn)壓容器,整個(gè)試驗(yàn)過程的供水都由變頻控制系統(tǒng)控制,以保證水源壓頭的穩(wěn)定和能源的節(jié)約。打開截止閥,水經(jīng)過上游側(cè)直管段、試驗(yàn)管段(通常為被試驗(yàn)流量計(jì))、下游直管段、伸縮器、流量調(diào)節(jié)閥及換向器流入到標(biāo)準(zhǔn)量器內(nèi)。正式測試時(shí),換向器動(dòng)作的同時(shí)觸發(fā)計(jì)時(shí)控制器和被試驗(yàn)流量計(jì)開始計(jì)數(shù),以保證水量和時(shí)間的同步測量。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的水量或脈沖數(shù)或時(shí)間時(shí),操作換向器,使水流換向,同時(shí)觸發(fā)計(jì)時(shí)控制器和被試驗(yàn)流量計(jì)停止計(jì)數(shù)。根據(jù)所測量的水量V和時(shí)間t按下式計(jì)算流量QV:

2·2·2標(biāo)準(zhǔn)表法原理

主要基于流體力學(xué)的連續(xù)性方程。同時(shí)讀取標(biāo)準(zhǔn)表和被試驗(yàn)流量計(jì)的讀數(shù),若一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表與被試驗(yàn)流量計(jì)串聯(lián),則被試驗(yàn)流量計(jì)的儀表系數(shù)K為:

式中,K_n為被試驗(yàn)流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)表在同一計(jì)數(shù)時(shí)間內(nèi)的脈沖比;Ks為標(biāo)準(zhǔn)表的儀表系數(shù)。

2. 2. 3裝置的等精度傳遞原理

對于靜態(tài)容積法和標(biāo)準(zhǔn)表法互補(bǔ)構(gòu)成的這套裝置,依據(jù)等精度傳遞理論可知,在用容積法對標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行量值傳遞時(shí),標(biāo)準(zhǔn)表的檢定點(diǎn),同時(shí)也是其作為標(biāo)準(zhǔn)使用時(shí)的使用點(diǎn),檢定介質(zhì),檢定條件,皆完全相同,在利用平均儀表系數(shù)消除標(biāo)準(zhǔn)表在檢定點(diǎn)的恒定系統(tǒng)誤差后,則標(biāo)準(zhǔn)表在給定檢定點(diǎn)下誤差來源只剩下了二項(xiàng), (1)容積法裝置的傳遞誤差即容積法本身的準(zhǔn)確度(用極限相對誤差表示); (2)標(biāo)準(zhǔn)表的重復(fù)性(用任一檢定點(diǎn)下,儀表數(shù)的極限相對誤差表示)。若標(biāo)準(zhǔn)表的重復(fù)性遠(yuǎn)小于容積法裝置的準(zhǔn)確度時(shí),則可認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)表的準(zhǔn)確度約等于容積法裝置的準(zhǔn)確度,換句話說就是容積法裝置將其流量量值等精度傳遞給了標(biāo)準(zhǔn)表。事實(shí)上標(biāo)準(zhǔn)表的重復(fù)性取決于在不改變測量條件下的重復(fù)測量次數(shù),若測量次數(shù)有限,標(biāo)準(zhǔn)表的重復(fù)性不能視為微小誤差忽略時(shí),則標(biāo)準(zhǔn)表的準(zhǔn)確度可由下式給出(式中,δ1為容積法裝置的準(zhǔn)確度;δ2為標(biāo)準(zhǔn)表重復(fù)性)這樣在這套容積法標(biāo)準(zhǔn)表法互補(bǔ)裝置中,可以認(rèn)為容積法裝置相當(dāng)于一個(gè)溯源標(biāo)準(zhǔn),而標(biāo)準(zhǔn)表法裝置則相當(dāng)于一個(gè)工作標(biāo)準(zhǔn),因此對于特殊要求的高精度流量計(jì)的量值傳遞可由容積法裝置承擔(dān),而對于大量的工作流量計(jì)的檢定則由標(biāo)準(zhǔn)表法裝置完成,使容積法標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)表法裝置量的優(yōu)勢得到了互補(bǔ)。一方面提高了容積法標(biāo)準(zhǔn)裝置的使用壽命,解決了標(biāo)準(zhǔn)表的周期送檢難題。而更主要的是提高了檢定效率而降低了檢定成本,具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。

3裝置的主要技術(shù)指標(biāo)及與國際同類裝置的比較

3裝置的主要技術(shù)指標(biāo)

裝置建成后,進(jìn)行了調(diào)試檢定,在自檢的基礎(chǔ)上,由中國計(jì)量科學(xué)研究院對該裝置依據(jù)JJG164-2000檢定規(guī)程進(jìn)行了檢定,結(jié)論為標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度為0·1%,口徑為15 ~300mm,流量上限為800m³/h,容積法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度為0. 055%。測量口徑與標(biāo)準(zhǔn)表法一致,流量上限為800m³/h。

4結(jié)論

1)依據(jù)等精度傳遞理論設(shè)計(jì)

研制的靜態(tài)容積法,標(biāo)準(zhǔn)表法互補(bǔ)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,融合了容積法和標(biāo)準(zhǔn)表法各自的優(yōu)點(diǎn),盡可能減少了容積法裝置的使用次數(shù),提高了其使用壽命。最大限度發(fā)揮了標(biāo)準(zhǔn)表法無頻繁換向效率高的特點(diǎn),降低了檢定成本。

2)作為工作標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)表,應(yīng)選擇動(dòng)態(tài)效應(yīng)和重復(fù)性好的流量計(jì),除了容積式外還可以是渦輪渦銜或電磁流量計(jì)。