流量校准技术中有关问题的商榷

陈　梅 　 陆　科 　 李　涛

(辽宁省计量科学研究院，沈阳 110004)

0　引言

根据JJF 1004—2004《流量计量名词术语及定义》，可以这样理解流量标准装置：以液体(如水或油)或气体为试验介质，提供确定准确度流量值的测量设备。

控制系统是流量标准装置不可缺少的组成部分，装置中各种设备的动作、数据的采集、处理、检定结果的判定等，都是由控制系统完成的。流量标准装置控制系统的配置是否合理，数据采集、处理是否正确，直接影响流量测量结果。

下面以静态质量法水流量标准装置为例，谈谈实际工作中的几个问题。

1　静态质量法水流量标准装置的流量计算公式

静态质量法水流量标准装置就是根据在实测时间间隔内，称重容器收集到的通过换向器进入其中的水在静止状态下的质量，从而计算出流量的方法。现在，静态质量法水流量标准装置的计量标准器都采用电子秤，用砝码进行溯源。

JJG 99—2006《砝码》中规定用“折算质量”表示砝码的质量值。即：一物体在约定温度(tref=20℃)和约定密度(ρ0=1.2kg/m3)的空气中，与一约定密度(ρref=8000kg/m3)的标准砝码达到平衡，则标准砝码的质量即为该物体的折算质量mc。

折算质量mc是物体在空气中得到的质量，物体真空中的质量=空气中的质量+浮力，所以折算质量mc与该物体在真空中的质量m0的关系是：

m0=mc+ρ0(V-Vc)

(1)

式中：m0为物体在真空中的质量，kg；mc为物体的折算质量，kg；V为物体的体积，m3；Vc为砝码的约定体积，m3；ρ0为空气的约定密度，其值为1.2 kg/m3。

(2)

式中：ρref为砝码的约定密度，其值为8000kg/m3；ρ为被称量物体的密度，kg/m3。

式(2)是以砝码为标准器，机械衡器为比较仪，用比较的方法求出被称量物体质量的公式，与GB/T 17612—1998《封闭管道中液体流量的测量——称量法》中给出的公式是一致的。

用电子秤作标准器检定流量计时，直接读取的是电子秤的示值m，m与其真空中的质量m0的关系是：

m0=m+ρaV

(3)

(4)

式中：m为物体的称重质量(即电子秤的示值)，kg；ρa为空气的实际密度，kg/m3。

式(4)是用经检定合格的电子秤称量物体，求其质量的公式。

当被称量的物体是称重容器在测量时间内收集到的水时，式(2)、(4)表示的都是测量时间内的累计质量流量，ρ为水的密度，一般用水密度计测得。

通过计算可以发现，式(2)和式(4)之间存在着0.015%的差异。这是因为式(2)是用比较法得出的，即将被测物(称重容器中的水)的质量与砝码进行比较；而式(4)是用直接测量法得出的，即直接读取电子秤的示值。在一些流量计的检定规程中，如JJG 1038—2008《科里奥利质量流量计》、JJG 1029—2007《涡街流量计》、JJG 1030—2007《超声流量计》、JJG 1033—2007《电磁流量计》等，或给出了式(2)，或给出了式(4)，或两者兼而有之。鉴于目前的质量法水流量标准装置的计量标准器均为电子秤，因此应采用式(4)进行计算。

2　流量标准装置的电流测量范围及不确定度

一般的，流量计或是脉冲输出，或是电流输出，或两者兼而有之，这就要求流量标准装置至少应具有脉冲和电流两种测量能力。

在一些流量计的检定规程中，规定了“流量计输出信号为脉冲时，一次检定中流量计脉冲数的测量不确定度应优于流量计最大允许误差绝对值的1/10”；或“当采用被检表脉冲输出进行检定时，一次检定中所记脉冲数不得少于最大允许误差绝对值倒数的10倍”。两种表达方式是一致的，都是对流量标准装置脉冲计数部分的要求，而对流量标准装置的电流测量部分没有给出具体要求，JJG 164—2000《液体流量标准装置》对流量标准装置的电流测量范围和不确定度也没有要求。

流量计正常工作时的电流输出是4～20mA，不同的流量计工作不正常时的输出各不相同，可能会出现低于4mA(如2.25mA)和高于20mA(如22.5mA)的情况。另外，当采用被检流量计电流输出进行检定时，首先应对流量计的电流环进行校准，这时需要准确测出流量计在4mA和20mA处的实际值，也会出现小于4mA和大于20mA的情况。因此流量标准装置的电流测量范围应大于4～20mA，如0～22.5mA。

参照流量标准装置对脉冲计数测量不确定度的要求，以静态质量法水流量标准装置为例，假设被检流量计为0.2级，电流测量的不确定度则应优于0.02%。事实上，无论是数据采集模块还是多功能数字表，电流测量的准确度一般在0.05%～0.1%之间，按矩形分布考虑，则其标准不确定度在0.03%～0.06%之间。

同一台流量计，无论是用脉冲输出还是用电流输出进行测量，其结果是一致的，但电流输出测量结果的不确定度比脉冲输出测量结果的不确定度要大得多。因此，对准确度等级不低于0.2级的流量计，应该用脉冲输出进行检定。

3　差压式流量计节流件流出系数计算公式

节流件前后流体流动情况如图1所示。根据伯努利方程和连续性方程，不可压缩理想流体满足下列公式：

(5)

A1v1=A2v2

(6)

式中：p1、v1、A1分别表示流束收缩前截面I处的压力、流速和流通面积；p2、v2、A2分别表示流束为最小时截面Ⅱ处的压力、流速和流通面积。

图1　节流件前后流体流动情况

把式(6)代入式(5)，整理后得到：

(7)

(8)

由qV=A2v2和qm=ρqV，得出：

(9)

(10)

由于实际流体与理想流体之间存在差异，所以式(8)、(9)、(10)并不适用于实际流体，必须进行修正，设修正系数为C，则实际流体的质量流量公式为：

(11)

修正系数C称为流出系数，是不可压缩流体的实际流量与理论流量的比值，其值由实验确定。对式(11)整理后得到：

(12)

此即GB/T 2624.1—2006给出的流出系数的计算公式。

图2是差压式流量计常见节流件的几种类型。

图2　常见节流件

对图2(a)所示的孔板，d=d1；

由以上分析可知，此类流量计的流量公式是相同的，但不同的节流件其直径的计算是不同的。

4　结束语

计量检定规程是技术法规，是计量检定工作的依据，其制定(修订)应跟上时代发展的步伐和使用的需要。作为测量系统的流量标准装置，大部分计算工作是由软件完成的，这就要求无论是软件编制人员还是计量检定人员，都应正确理解规程中每个物理量的含义，将附加因素带来的影响降到最低。

[1]JJG 99—2006砝码[S]

[2]GB/T 17612—1998封闭管道中液体流量的测量——称量法[S]

[3]GB/T 17613.1—1998用称重法测量封闭管道中的液体流量装置的检验程序——第1部分：静态称量系统[S]

[4]JJG 164—2000液体流量标准装置[S]

[5]GB/T 2624.1—2006用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量 第1部分：一般原理和要求[S]

[6]JJG 640—1994差压式流量计[S]