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      科氏質(zhì)量流量計標(biāo)準(zhǔn)表法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

      2015-12-02 03:07:46桂文浩
      計測技術(shù) 2015年1期
      關(guān)鍵詞:科氏標(biāo)準(zhǔn)表高精度

      桂文浩

      (艾默生過程控制流量技術(shù)有限公司,江蘇南京211100)

      0 引言

      隨著人們對產(chǎn)品質(zhì)量、工藝控制、生產(chǎn)流程和成本控制的要求越來越高,越來越多高精度、高性能的流量計產(chǎn)品進入到各個領(lǐng)域。如何保證這些高精度流量計產(chǎn)品的準(zhǔn)確性,對生產(chǎn)企業(yè)的計量工作提出了更高的要求。如何建立高精度、高可靠性、高效率的流量校準(zhǔn)裝置,已經(jīng)成為計量工作中的重要一環(huán)。

      容積法和稱重法流量校準(zhǔn)裝置由于其便于溯源,基準(zhǔn)較易獲得,故在國內(nèi)的應(yīng)用時間較長,并廣泛用于企業(yè)和實驗室。但該型系統(tǒng)存在效率低,測量時間長,維修維護困難,易受干擾,適用范圍窄,成本高,隨著管線尺寸的增加,投資和系統(tǒng)尺寸成倍增加,對于流量計生產(chǎn)企業(yè)或測試任務(wù)繁重的實驗室,已越來越難以滿足他們的需求。

      標(biāo)準(zhǔn)表法適應(yīng)范圍寬,抗干擾能力強,效率高,可靠性高,已得到越來越多企業(yè)和實驗室的認(rèn)可。本文介紹一種采用Emerson公司旗下MicroMotion生產(chǎn)的CMF系列高精度質(zhì)量流量計的標(biāo)準(zhǔn)表法流量校準(zhǔn)裝置。

      1 標(biāo)準(zhǔn)表法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成

      標(biāo)準(zhǔn)表法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,即是指一種采用流量計作為計量基準(zhǔn),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,通過比較兩者的輸出流量值,從而確定被檢流量計的計量性能。由于標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)法流量裝置可以實現(xiàn)連續(xù)流,不需要使用換向器和啟停閥門,從而大大減少了系統(tǒng)的設(shè)計難度,尤其是換向器,消除了換向器設(shè)計制造誤差而引入的流量測量誤差。另一方面,由于實現(xiàn)了連續(xù)流,故而該裝置在保證直管段的條件下也可直接用于測量電磁、渦街、超聲等其他多種流量計,拓寬了使用范圍,提高了使用效率,簡化了現(xiàn)場操作。

      圖1是一種采用科里奧利質(zhì)量流量計做為標(biāo)準(zhǔn)表的水流量校準(zhǔn)裝置。主要由流源系統(tǒng)(水箱和變頻調(diào)速水泵)、標(biāo)準(zhǔn)表組(多臺并聯(lián)安裝的質(zhì)量流量計)、被測表工位、閥門組(開關(guān)閥、節(jié)流閥)和信號采集與控制系統(tǒng)(頻率計數(shù)、毫安測量、數(shù)據(jù)采集、誤差計算、報告)組成。

      圖1 系統(tǒng)工作原理簡圖

      標(biāo)準(zhǔn)表部分由五臺高精度科里奧利質(zhì)量流量計組成,分別為CMF025,CMF050,CMF100,CMF200和CMF300;五臺流量計采用并聯(lián)的方法,最小流量可達(dá)到1.8 kg/min,最大流量可達(dá)到3000 kg/min,故而其量程比達(dá)到了1500。對于該流量范圍的任一流量,系統(tǒng)會選擇相應(yīng)流量范圍對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)表路徑作為其測試表,故對任一流量,只會有一臺標(biāo)準(zhǔn)表作為實際使用的標(biāo)準(zhǔn)表,從而保證了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。安裝方案如圖2所示。

      圖2 質(zhì)量流量計并聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)表組

      2 標(biāo)準(zhǔn)流量計的檢定和校準(zhǔn)

      標(biāo)準(zhǔn)表法裝置在使用過程中的一大問題就是如何進行周期檢定和校準(zhǔn),從而保證標(biāo)準(zhǔn)表的穩(wěn)定可靠和溯源。有以下幾種方法:

      使用標(biāo)準(zhǔn)表和稱重法混合集成的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,通過使用串聯(lián)集成的稱重裝置對標(biāo)準(zhǔn)流量計實現(xiàn)在線式檢定。這種方法的優(yōu)點是不需要拆除標(biāo)準(zhǔn)流量計,節(jié)省安裝調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)表的時間和由于拆卸標(biāo)準(zhǔn)表而可能造成的問題;缺點是投資大,設(shè)備復(fù)雜,由于集成有稱重法設(shè)備,操作維護復(fù)雜。

      標(biāo)準(zhǔn)流量計離線式檢定,即將標(biāo)準(zhǔn)表流量計從裝置中拆除下來,在其它可以溯源的稱重法或體積法的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中進行檢定,然后再將其裝回原標(biāo)準(zhǔn)表法流量裝置中。這一方法的問題是需要對標(biāo)準(zhǔn)流量計進行拆裝,大大增加了現(xiàn)場檢定的難度,并且不能排除人為安裝等因素所產(chǎn)生的問題,尤其在高精度的場合,該方法帶來了較大的不確定性。

      綜合以上兩種方法的優(yōu)缺點,本文介紹了一種新的方法,即傳遞標(biāo)準(zhǔn)表法。即使用一套傳遞標(biāo)準(zhǔn)表,將傳遞標(biāo)準(zhǔn)表在可以溯源的稱重法或體積法流量裝置上進行檢定,評估其不確定度,然后將其作為傳遞標(biāo)準(zhǔn),放入待檢定的標(biāo)準(zhǔn)表法流量裝置上,對標(biāo)準(zhǔn)流量計進行檢定,這樣可以做到在不拆除裝置上標(biāo)準(zhǔn)流量計的情況下直接對其進行檢定。這種測試方法簡便易行,測試數(shù)據(jù)詳細(xì)可靠,故而通過較為詳實的數(shù)據(jù),可以給出科學(xué)的不確定度評估方法。稱重法及傳遞標(biāo)準(zhǔn)表法溯源見圖3、圖4。

      圖3 標(biāo)準(zhǔn)表法裝置的溯源鏈(稱重法)

      圖4 標(biāo)準(zhǔn)表法裝置的溯源鏈(傳遞標(biāo)準(zhǔn)表法)

      表1給出了型號為CMF200的標(biāo)準(zhǔn)流量計在質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上的測試數(shù)據(jù)及不確定度計算。該質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度為0.03%(k=2),測試流量點共有9個點,覆蓋了該型號流量計的實際使用流量,每點重復(fù)6次,并對實驗結(jié)果進行基于最小二乘法的線性化。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果和溯源鏈可以發(fā)現(xiàn),由于采用了一次傳遞,故本次測量下該標(biāo)準(zhǔn)流量計的擴展不確定度可以達(dá)到0.031%(k=2),與稱重法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度幾乎相同。

      表1 標(biāo)準(zhǔn)流量計CMF200不確定度的計算

      表2給出了型號為CMF100的傳遞標(biāo)準(zhǔn)在質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上的測試數(shù)據(jù)及不確定度計算,共測試了10個流量點,覆蓋了該型號流量計的實際使用流量,每點重復(fù)6次。本次測量下的該傳遞標(biāo)準(zhǔn)的擴展不確定度可達(dá)到0.035%(k=2)。

      表2 傳遞標(biāo)準(zhǔn)表CMF100不確定度的計算

      表3是在直接使用以上傳遞標(biāo)準(zhǔn)對標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中的標(biāo)準(zhǔn)流量計進行測試,其測試方法同表2所列測試方法,根據(jù)表3計算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)基于此方法的最終標(biāo)準(zhǔn)流量計的擴展不確定度約為0.05%(k=2)。

      相比直接稱重法,傳遞標(biāo)準(zhǔn)法多了一次傳遞,故而引入了一定的不確定度,但是由于該方法無需拆裝標(biāo)準(zhǔn)流量計,排除了人為因素所導(dǎo)致的系統(tǒng)問題,間接保證了標(biāo)準(zhǔn)流量計的可靠,穩(wěn)定工作,加上不需投資小,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單,維修維護方便,且該測試方法有效可行,測試數(shù)據(jù)充分,為評估其不確定度提供了可靠的依據(jù),也為使用該方法提供了理論與實驗數(shù)據(jù)。

      3 標(biāo)準(zhǔn)流量計的期間核查

      本文使用同樣為CMF100的質(zhì)量流量計作為期間核查的被測流量計,選用了兩個流量點作為測試流量點,流量點涵蓋了該型流量計的使用范圍,選取平均誤差最大的流量點作為該次的核查點,引入了評估系數(shù)En.

      圖5所示為根據(jù)最近三個月的期間核查數(shù)據(jù)所作出的趨勢圖,可以看出評估系數(shù)最優(yōu)時為0.05,最差時為0.5,也就是說該標(biāo)準(zhǔn)流量計隨著時間的變化,其最大誤差值也優(yōu)于0.02%。另一方面,通過采用期間核查和評估系數(shù)的方法,從另一方面證明了采用科氏質(zhì)量流量計的標(biāo)準(zhǔn)流量計的穩(wěn)定性和可靠性。

      圖5 CMF100標(biāo)準(zhǔn)流量計的評估系數(shù)趨勢圖

      綜上所述,使用科氏質(zhì)量流量計作為標(biāo)準(zhǔn)流量計應(yīng)用到流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上是有效的,可行的。通過實驗數(shù)據(jù)的分析,使用高精度科氏質(zhì)量流量計,大大提高了標(biāo)準(zhǔn)表法裝置的精度和穩(wěn)定性,為該型裝置的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

      [1]JJG643-2003標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程[S].

      [2]Dean M.Standiford.New Design for a Transfer Standard Method Flow Stand[S].2013 Flomeko

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