称重式液体流量标准装置衡器选择

2013-07-14王俊涛蒲莉萍陈孟闯

中国测试 2013年2期

王俊涛，蒲莉萍，陈孟闯

（新乡航空工业（集团）有限公司，河南新乡 453049）

0 引言

随着社会的不断进步，科技快速发展，流量计量越来越受到重视。近年来流量计量相关技术也取得了突飞猛进的发展，各种新式流量计相继投入使用，老式流量计也有了很大的技术提升。从国家级院所到地方计量检测部门，都建立了流量标准并开展流量标准相关技术研究，以满足工业系统对流量计计量的需要[1-2]。

液体流量计量是流量计的重要分支，其标准装置应用广泛，原理多样，其中以称重流量标准应用最为广泛，具有运行稳定、效率高、精度高等特点。衡器是称重法流量标准的重要组成部件，合理正确的设计选择标准的衡器是建立一套称重式流量标准的基础[3]。

1 衡器简介

现在常见的衡器主要有机械式衡器和电子式衡器，近年来，电子天平以精度高、反应快、体积小、寿命长、使用方便、功能齐全等特点应用更加广泛[4]。

20世纪80年代以前生产或购买的液体流量标准所使用的衡器多是机械式天平，采用人工手动操作，效率低下。随着自动控制及电子技术的不断发展，流量标准装置自动化程度不断提高，选择衡器时，也可以选择能够和计算机通信的电子天平。

2 液体流量标准装置衡器选择

2.1 规程解读

JJG 164-2000《液体流量标准装置检定规程》中多处提到对衡器的要求[5]，在此一一解读。

通用技术要求中，4.3.1.1衡器一般采用机械衡器或电子衡器，电子衡器应用自校功能。4.3.1.2衡器的电缆、容器的连接管路和电缆不应在衡器上产生附加力。自校功能是为了保证在检定周期内天平的准确性，以保证装置的性能，其他部件与衡器脱开是衡器正确使用的基础。

计量器具控制中，5.1.1.1检定衡器用标准砝码，其不确定度应优于衡器不确定度。说明衡器的检定，使用标准砝码，不确定度更优的砝码所检出的结果可信、可用。

在5.2.5衡器检定中，介绍了衡器检定的方法，不确定度评定方法。

在5.2.9.2机械衡器动态效应检定中，介绍了机械衡器动态效应的检定方法和不确定度评定方法。

在5.2.10.1装置合成不确定度中，列举了不同原理液体流量标准不确定度合成的公式，从各质量法原理公式中可以看出，衡器不确定度为装置合成不确定度的主要项。

2.2 技术性能要求

2.2.1 称量范围

称量范围是指最大称量到最小称量之间的范围。

最大称量是电子天平的一项重要指标，指不计添加皮重时的最大称量能力。选择电子天平时，要选合适的最大称量。液体流量标准装置有其流量范围指标Qmin～Qmax。流量计在被检时每次测量时间不应少于装置要求的最短测量时间t，以涡轮流量计为例，检定时要求流量计检定点包含qmax，每个检定点的检定次数不少于3次，对于准确度等级优于0.5级的流量计，每个流量点的检定次数不低于6次。为满足流量计检定的基本要求，同时提高流量计检定的工作效率，电子天平的最大称量至少要大于3Qmax·t。

称重法液体标准装置要求液体从容器顶部注入，在没有缓冲装置的情况下，液体注入的过程中尤其是大流量状体将会对天平产生较大冲击。设介质密度为ρ，最大流量状态时，介质出口流速为ν0，则流体对天平产生的冲击力为ρ·Qmax·ν0。

对介质进行称重还要考虑需要容器对介质进行收集及称重箱，称重箱在满足使用要求的情况下质量m0越轻越好。

除了考虑以上称量因素，为保证天平不会因过载而损坏，最大称量需加一定的保险系数，也就是最大载荷再放宽一些，但并不是越大越好。此处可取Qmax·t。

所选电子天平最大称量为

最小称量应理解为样品每次添加的最下剂量，小于该载荷值时称量结果可能产生过大的相对。不同等级天平最小称量如表1所示[6]。

表1 不同等级天平最小称量

2.2.2 分度值

分度值是天平的重要参数，有实际分度值和检定分度值e。实际分度值是指相邻示值之差，即可显示的最小读数，检定分度值用于划分天平级别与计量检定，以质量单位表示的值，检定分度值应满足d≤e≤10d，在一般情况下，检定分度值e还应服从e=10kkg，其中k为正整数、负整数或零。选定电子天平时，要从绝对精度即检定分度e值着手，如选择0.01 mg的天平，不能将精度概要表述为1/10000或1/100000，这样有时是相对精度，而实际精度可能达不到使用要求[6]。

某流量标准装置在流量点0.1 mg/s进行检定时，一次检定时间为20s，则一次称量重量为0.2mg，若采用精度为十万分之一，最大称量0.1 kg的天平（其绝对精度只有0.1 mg），所得出的结果是不准确的。

2.2.3 不确定度

从液体流量标准装置合成不确定度分项看，衡器所引入的不确定度是其主要项，其不确定度大小将在很大程度上影响装置整体不确定度。选购天平时，可以直接看到最大称量、分度值等参数，却不能知道不确定度与什么参数相关，在考虑不确定度的情况下选择天平时，将会无从下手。下面分析一下称重法液体流量标准装置用天平不确定度的计算。

以某电子天平为例：型号为ME4002；最大称量为4200g；可读性为0.01g；重复性为0.01g；线性误差为0.02g。

由以上参数及电子天平检定规程可知，实际分度值d=0.01g，取检定分度值e=10d=0.1g。

检定分度数 n=Max/e=4.2×104。

天平准确度等级为 II级 e≥0.1 g，5×103≤n≤1×105。

其最大允许误差为±1.0e，即±0.01g。

以某被测物体m为例，在天平对物体进行称量时，假设天平读数为n，则有

m=n，u（m）=u（n）

假设天平的线性误差引入的不确定度符合均匀分布，已知用天平进行称量时，其线性误差是其不确定度的主要来源。所以，在不知道天平不确定度时，可以用天平最大允许误差除以作为电子天平的不确定度估算，即根据天平等级，检定数及检定分度值进行估算[7]。

2.2.4 其他要求

选购电子天平时除考虑其以上介绍主要参数外，还要考虑天平结构、尺寸等是否满足现场需要。现代流量计量标准多设有测控系统，以实现实验过程的自动控制和数据自动采集处理。所以在选择电子天平时要求天平电子系统具有通信功能和相应的结构，便于天平与系统相连等。