德国法制计量体系概况

Rainer Kramer,安雅丽,谢代梁

(1.德国联邦物理技术研究院,德国 柏林 38116;2.中国计量学院 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018)

德国法制计量体系概况

Rainer Kramer1,安雅丽2,谢代梁2

(1.德国联邦物理技术研究院,德国 柏林 38116;2.中国计量学院 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018)

法制计量在德国的国计民生中发挥着重要作用,德国联邦物理技术研究院(PTB)作为德国最高的计量机构在其中具有举足轻重的地位.介绍了德国法制计量体系的组织结构、基本内容和PTB所承担的任务,分析了近年来德国计量体系中出现的新法案和规定.并介绍了仪器仪表在出厂和使用过程中测试和性能评估的主要内容，最后，例举了安装管道和被测介质对流量仪表性能影响的测试技术和方法.

德国计量体系;法制计量;德国联邦物理技术研究院

作为国际计量研究水平一流的国家,德国拥有相对完善及规范的法制计量体系.德国联邦物理技术研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt,简称PTB)作为德国计量体系中的重要组织,不仅是德国政府的计量行政管理部门,也是德国最高的计量技术科研机构.PTB的主要职责是负责测量单位的实现及从事相关方面的研究,保证计量溯源性,即对计量标准进行检定和校准;同时负责审批和评估法定计量领域(如贸易结算)的相关工作.德国联邦物理技术研究院由9个技术部门和分布在各地的400个工作组构成.通常情况下,每个工作组负责处理一个测量单位.例如作者所在的气体流量仪表工作组的主要工作是负责实现单位体积和单位质量的气体流动(包括空气和其它工业气体),同时负责气表和转换设备的认证和型式评价,并参加国家和国际计量组织(如OIML, WELMEC, CEN等)的工作,研究气体流量计量的相关工作[1-2].

1 法制计量体系概述

当代国际计量体系的相关知识在不少权威刊物和相关网站均有介绍,如BIPM网站和OIML网站.国际计量局(BIPM)是负责建立国际单位制(SI)统一的组织,在其网站上可以获得计量相关的知识,如:测量不确定性表达指南(GUM);国际通用计量用语,即一般的基本概念和相关术语;有关国家计量机构校准和测量能力(CMC)的信息如中国计量科学研究院(NIM)和德国PTB的校准和测量能力.国际法定计量组织(OIML)的相关信息也在其网站上呈现,职责包括:成立文献和情报中心,搜集从事检定和监督的国家计量机构关于仪表的各类文献与情报;对管理和仪器测试的描述进行有关说明.

对于测量,商业流通中的测量和工业过程中的测量,对测量仪器所关注的焦点是不同的.对前者而言,更关注测量的质量，即:测量结果是准确的(即在允许的不确定度范围内);测量仪器是可靠的.商业流通领域中(如贸易交接)的测量质量是依靠法制计量体系来保证的.一个法制计量体系包括如下一些要素:对仪器仪表的要求,包括用户使用时的相关规定;仪器性能的评估系统;市场监管与服务监控;再校准环节.对工业过程参数的测量,人们关注的是:仪器的可靠性;仪器长时间的稳定成为重要参数,而总不确定度不再是主要因素;在应用中的适应性;生产厂家负责仪表的说明.

在相关法律的控制下,仪器的生命周期如图1.首先完成仪器仪表的设计和制造,由认证机构或监管部门进行型式评价(合格性评定),即审核和检定;将合格的仪器仪表产品投放市场,由监管部门进行市场监督;在仪器仪表投入使用过程中,使用方义务向监管部门提供信息;在仪器的有效期即检定周期内,在监管部门的监管下使用;当仪器使用超过检定周期后,由认证机构或国家认可的地方测试实验室执行再检环节,如果合格进入服务期循环,否则仪器报废,退出使用.

图1 法律监控下的仪器生命周期Figure 1 Equipment life cycle with legal supervision

2 德国法制计量概述

2.1 层次结构

法制计量在德国有着100多年的历史传统.在该体系下,很多不同类型的仪器仪表都要进行检定或者在法律的监管下使用,例如市场上诸多的衡器、民用仪表如煤气和电表以及燃料加注行业所用仪表.德国是一个联邦制国家,由联邦政府外加15个州构成.在法制计量体系中,它们职责分明.联邦制州的任务是仪器检定,联邦政府则负责法制计量中量值的统一.欧盟成立后,为了实现

欧盟内部的量值统一,于2007年2月开始实施欧洲测量仪器指令(MID,简称欧洲指令).新的检定法于2013年发布,该法令同时也将作为MID的补充和更新的一个内容.

在欧洲,法制计量体系的规章制度具有完整的层次结构,如图2.欧洲议会和理事会负责颁布欧盟指令,例如ATEX,PED,MID,成员国有义务在各自的国家立法中落实各章程.在欧盟指令的指导下进行国家立法,建立国内的法制计量体系;法制计量体系包含:在仪器投放市场之前进行型式评价(型式认证或首检),随后在仪器应用期进行有效的市场监管,在检定有效期截止之前进行再次检定,完成整个法定计量工作.

图2 德国法制计量体系的层次结构Figure 2 Hierarchical structure of legal metrology system in German

欧盟委员会所颁布的计量仪器指令(MID)使得计量工作更加标准化,其主要目的有以下几个方面:

1)MID将消除国家间的贸易壁垒,通过引入高性能的仪器设备,为贸易的公平性提供高水平的保护.

2)MID的适用范围之一是用于贸易交接的各种仪器仪表.

3)另一领域是公共事业用表,包括用在住宅、商业和轻工业中的仪表.值得一提的是,在轻工业领域中,MID的实施是强制性的.但在数量庞大的这类仪表中,选择多大规模的仪表数量进行性能评估,由仪表制造商来决定.

4)MID是一套能够避免妨碍技术进步的新法案.

2.2 德国法制计量的基本章程

德国法制计量体系中的基本章程包括单位法、检定法、检定条例、欧洲指令(MID,ATEX)、电磁环境兼容性法案(EMC)和几条关于政府行为和收费的法案.

检定法的内容主要适用于公共事业仪表,该法案的目的在于保护消费者的同时维护公平贸易,维护医疗保障、环境保护等方面的一些准确测量,并提高官方测量的可信度,使其更具有权威性.检定法规定了检定义务,意味着公共事业仪表必须接受检定;规定了允许颁布与检定相关的条例;检定由联邦州政府负责,是德国联邦物理技术研究所(PTB)的义务;同时检定法中列出了具体的收费条例、信息发布的义务和违反规章的处罚条例.

除了上述法律法规外,还有相对较低阶的规定如PTB要求、PTB测试说明和PTB技术说明等.PTB要求之一是被检表的技术解决方案在PTB是可以接受的,例如电气接口和软件方面应符合PTB的要求;PTB测试说明确保在所有联邦州实施的检定具有一致性,因此它详细规定了实施检定的测试设备和测试过程的说明;PTB技术说明是具体的应用规程如气体涡轮流量计的安装等.

2.3 检定法的一些新规定

随着科学技术的发展,德国的检定法中增加了一些新的规定以适应不断变化的需求.新的规定允许除了PTB外的被授权机构(第三方机构)对国家管制的计量器具进行合格评估;明确了对被授权机构的管理条例(对其能力、独立性、信息义务等进行官方的认证);规定了仪器用户新的职责(如正确使用仪器、维护仪器和信息义务);新规中还包括技术问题的处理如软件下载和通过取样测试延长仪表检定有效期等条例.

3 测量仪器检定

3.1 测量仪器的基本要求

在德国法制计量体系中,对于测量仪器规定了如下基本要求:

1)在气候环境、应力影响、电磁环境下仪器测量误差不得超过允许误差;

2)仪表复现性、重复性、分辨率和灵敏度;

3)耐用性、适应性以及耐腐蚀性;

4)由仪器负责提供但仅限于伴随仪器的信息;

5)显示结果;

6)对测量数据的进一步分析处理,完成贸易交接;

7)合格性评价.

以气表和体积换算装置为例,出示仪表具体的MID附件,具体包括:精度等级1.0或1.5、最小流量范围、额定工作条件、最低气体温度范围、燃气相关情况、最大允许误差(MPE)、允许范围的干扰作用、耐用性、适用性(包括应急电源)和显示单位.

3.2 测量仪器需检定的内容

测量仪表需检定的部件一般包含下面这些:

1)仪表传感器;

2)显示单元;

3)计算机或辅助设备(如果辅助设备对测量结果有重要影响,应如测量仪表一样对待);

4)铭牌(包括密封).

表1出示了测量仪器在投入使用前需测试的基本内容,表2出示了测量仪器在型式评价时需测试的基本内容.

表1 测量仪器使用前测试的基本内容

针对各测试内容,需确定接受的准则.

现代的仪器仪表是硬件和软件高度综合的智能化仪表,如何区分出其中的硬件部分和软件并分别进行测试和评估就显得尤为重要.图3出示了一个气体流量仪表信号处理与传输部分的结构框图.

表2 测量仪器型式评价测试的基本内容(气体流量仪表)

Table 2 Contents of measurement assessment with different measuring instrument patterns (gas flow meter)

准确度测试环评测试软件测试硬件测试规定工作环境下误差曲线确定,复现性,重复性,流量测量范围,温度和压力范围,不同气体的差异安装(对扰流的要求)环境影响,气候与应力影响,电磁兼容(EMC)软件功能测量结果显示,参数设置,人机交互(命令),操作日志适用性,耐腐蚀性,密封,校准切换开关,耐久性

分离出软件部分:信号处理器、完成法制计量相关任务的软件模块、接口控制以及按用户需求制定的功能模块.分离出硬件部分:完成法制计量相关任务的硬件模块(包括显示)、分离通讯和用户定制模块.然而在实际的仪表系统中,软件和硬件的界限并不明显.例如生产商为了降低硬件成本,往往不会如图3采用两个微处理器分别进行信号处理和通讯模块控制,而是通过增强软件功能同时完成这两个任务;相应的,为了降低软件开发成本和测试成本,提高灵活性,仪表软件的安装和更新可以通过通讯模块下载.在仪表智能化程度日益提高的背景下,对其性能测试和评估面临越来越大的挑战.

图3 气体流量仪表信号处理与传输部分的结构框图Figure 3 Structure of signal processing and transmission parts of gas flow meter

4 一些影响因素下的测试方法探讨

4.1 安装管道的影响

许多气体流量仪表在安装的时候要求有一定的前后直管段,但在工业现场经常碰到无法满足条件的情况,尤其是大管径的时候.流量计的前端存在各种阻力件如阀门、缩管或扩管、单弯头和双弯头等,这些阻力件会产生扰流,使得管道截面上的流速分布不能满足流量计的要求,影响仪表的测量结果.图4为流体经过一个异面双弯头后,在下游形成的流场.

图4 双弯管紊流流动剖面CFD模型Figure 4 CFD model of double bent pipe turbulent flow profile

图4结果为采用CFD进行模拟,在流量为635.9 m3/h,雷诺数为65 000,压强1 bar的条件下经过一个异面双弯头后的流动状态,可见，在下游逐渐形成了两个漩涡.

目前工业上对于流场分布不能满足要求下管道流量的测量为采用多组传感器探头.图5为四声道超声波流量计的结构图.

图5 四声道超声波流量计结构图Figure 5 Structure of four channels ultrasonic flow meter

(1)

多组探头采用速度面积法如式(1),可以一定程度上减小扰流对测量结果的影响.但如何测试流量仪表受异面双弯头的影响情况,并通过研究进一步探寻仪表正确的安装方式,是一个倍感困扰的问题.因为在实验室的标准设备上,安装实际的异面双弯头来进行大量的测试并不现实,因此提出并设计了一种流动调节器取代实际的弯管结构.这种流动调节器可以安装在直管段中,流体经过后,在其下游会产生与异面双弯头效果一致的扰流.

图6 异面双弯头后的截面流速分布Figure 6 Section velocity distribution after double bend with different planes

图7 流动调节器后的截面流速分布Figure 7 Section velocity distribution after flow regulator

图6和图7分别示出了经过异面双弯头和流动调节器后的截面流速分布情况,可见两者具有良好的一致性,可以采用流动调节器对仪表的测量性能进行测试和研究.

4.2 被测介质的影响

仪表在检定的时候,所使用的介质及其状态是一定的,但在实际应用过程中,所面对的介质及其状态千变万化.不同介质及其状态对测量结果的影响是值得研究和探讨的.

仍以超声波流量计为例,一般情况下是以空气为介质在标准状态下进行检定,然后投入使用.但声波在不同的介质种类、温度和压力下的传播速度是不完全一致的.

图8示出了标准状态下声波在空气、CO2、H2、N2和CH4中的传播速度.从图中的对比可知,采用空气作为介质检定后超声波流量计如果用于测量N2的流量,结果与测量空气具有很好的一致性;然而用于测量CO2和CH4的流量,其结果会有一定的误差;但是，用于测量H2的流量,其测量结果可能是不可接受的.

图8 声波在不同介质中传播速度 Figure 8 Propagation velocity of sonic wave in different medium

5 总 结

德国法制计量体系在现代化中不断发展和完善,为市场提供了高品质的测量仪器和测量方法,在德国和欧洲合格评估中建立了新的检定操作规程.通常情况下,在仪表产品研发结束时,必须要进行一个相当全面的设备测试,以确保仪器的可靠性.当然,在检定程序之前,法制计量体系下的相关部门需要制定出明确的试验方法、验收标准和试验等级等.

[1] SCHMIDT R, KRAMER R. Požadavky legální metrologie na ultrazvukové plynoměry[J]. Plyn,2011,91(10):236-239.

[2] MüLLER H, STRUNCK V, KRAMER R, et al. Germany’s new optical primary national standard for natural gas of high pressure at pigsar[C]//Proceedings of the 12th International Conference on Flow Measurement. Guilin:[s.n.],2004:9.

General situation of legal metrology system in Germany

Rainer Kramer1, AN Yali2, XIE Dailiang2

(1. Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Berlin 38116, Germany; 2. College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Legal metrology plays an important role for the life and industry in Germany. Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), as the highest technical institution in the metrology area in Germany, the structure, the fundamental contents of legal metrology and the tasks of PTB are introduced. New verification laws in Germany issued in recent years are presented. The kinds of test, the contents of performance evaluation, and the criteria of acceptance for instruments from manufacture to application are introduced. An example is given to illustrate the technique and method used to evaluate the influences on flowmeters by piping.

metrology system in Germany; legal metrology; PTB

1004-1540(2015)01-0001-06

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.01.001

2014-12-30 《中国计量学院学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

Rainer Kramer博士，德国联邦物理技术研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt，PTB)科学家，现任PTB气体流量仪表部门负责人(Head of Section Gas Meter)，主要从事气体流量计量、计量实验室评审和认证工作.E-mail:Rainer.kramer@ptb.de 通讯联系人：谢代梁，男，博士. E-mail:dlxie@cjlu.edu.cn

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