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等精度傳遞理論在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中的應(yīng)用
發(fā)布時間：2017-11-22
引言
水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是檢定各種類型液體流量計,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,但對于普通流量計的檢定效率高,而檢定成本低。河北省計量院于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%,作為河北省社會公用計量標(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量學(xué)的相同性基本原則,即流量計檢定時和使用時的流量點(diǎn)相同、檢定介質(zhì)與使用介質(zhì)物理特性相同、流量計檢定與使用的幾何特性相同、流量計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等精度傳遞給工作流量計。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,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,同時盡量使檢定條件與使用條件一致,則E1和E2可以忽略不計。由式(3)可得出:
由式(4)分析可得出如下結(jié)論:當(dāng)ErnEs時,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,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。在各種流量計的特性中,某些作為標(biāo)準(zhǔn)表的流量計固定在某一流量點(diǎn)檢定時,其重復(fù)性是非常好的。例如液體容積式流量計中的橢圓齒輪和腰輪流量計、速度式流量計中的渦輪流量計等。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,隨著測量次數(shù)的增加,其重復(fù)性(隨機(jī)誤差)將會隨著測量次數(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,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)、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,換向器動作的同時觸發(fā)計時控制器和被試驗(yàn)流量計開始計數(shù),以保證水量和時間的同步測量。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的水量或脈沖數(shù)或時間時,操作換向器,使水流換向,同時觸發(fā)計時控制器和被試驗(yàn)流量計停止計數(shù)。根據(jù)所測量的水量V和時間t按下式計算流量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。同時讀取標(biāo)準(zhǔn)表和被試驗(yàn)流量計的讀數(shù),若一臺標(biāo)準(zhǔn)表與被試驗(yàn)流量計串聯(lián),則被試驗(yàn)流量計的儀表系數(shù)K為:
式中,Kn為被試驗(yàn)流量計與標(biāo)準(zhǔn)表在同一計數(shù)時間內(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,標(biāo)準(zhǔn)表的檢定點(diǎn),同時也是其作為標(biāo)準(zhǔn)使用時的使用點(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,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,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)于一個溯源標(biāo)準(zhǔn),而標(biāo)準(zhǔn)表法裝置則相當(dāng)于一個工作標(biāo)準(zhǔn),因此對于特殊要求的高精度流量計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. 1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。
3. 2與國際同類裝置的比較
在該裝置上,用標(biāo)準(zhǔn)表法對石家莊奧森自動化儀表有限公司與俄羅斯米特蘭流量儀表集團(tuán)合資生產(chǎn)的多種類型的近百臺流量計進(jìn)行檢定,其結(jié)果是被檢表的不確定度均在1%范圍內(nèi),與國內(nèi)外生產(chǎn)廠家的檢定結(jié)果相吻合。這也在一定程度上反映出該裝置與國內(nèi)外同類裝置的一致性。
4結(jié)論
1)依據(jù)等精度傳遞理論設(shè)計
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)選擇動態(tài)效應(yīng)和重復(fù)性好的流量計,除了容積式外還可以是渦輪渦銜或電磁流量計。
摘自：中國計量測控網(wǎng)
