容量计量在活塞式流量标准装置标定中的应用*

赵万星 郑慧民 廖 新

(1.重庆市计量质量检测研究院，重庆 401123；2.力帆实业股份有限公司，重庆 400707)



容量计量在活塞式流量标准装置标定中的应用*

赵万星1郑慧民2廖 新1

(1.重庆市计量质量检测研究院，重庆 401123；2.力帆实业股份有限公司，重庆 400707)

以容量计量的方法标定活塞式流量标准装置为例，讨论容积法和几何测量法标定的技术关键，及其影响标定不确定度的主要因素，分析指出几何测量法适于装置的初始标定，而容积法适于后期标定，可为类似装置的设计和检测提供参考。

活塞式流量标准装置；容量计量；容积法；几何测量法

0 引言

活塞式流量标准装置(以下简称装置)是一种容积式流量标准装置，它采用电动机驱动活塞在气缸内运动，单位时间内置换出标准容积的气体，通过比较被检仪表的读数即可获取被检表的计量性能。由于装置排出的标准容积直接溯源于长度基本量，故装置具有稳定性好、准确度高的优点，常被用于中小气体流量量值传递，例如膜式燃气表、湿式表等。

目前，活塞式流量标准装置的标定是按照体积管方法进行检测。上世纪80年代，国际标准化组织曾提出过一个标准草案—ISO/TC30/SC8/N100《气体流量测量—容积法第四部分 受迫活塞校验器》。OIML R119-e96是针对非水液体的体积管检测方法，主要用于原油等行业。我国也很早制定了体积管检定规程JJG 209—2010，规程中规定了三种检定方法：容积法、称量法和标准表法。这里主要讨论容积计量法，即容积法和几何测量法，应用于装置标定中的关键技术和影响标定不确定度的主要因素。

1 数学模型

单位时间内，装置排出的标准容积由活塞运动距离与气缸截面积组成(这里以气缸作为标准容积为例)。因此标准流量可以表示为：

q=Av

(1)

式中：q为流量，m3/h；A为活塞面积,m2；v为活塞速度,m/h。

装置排出的标准流量转化为光电信号时，可表示为体积系数与脉冲数之乘积，故也有：

q=ζn

(2)

式中：ζ为标定的体积系数；n为脉冲数。

式(1)、(2)既表达了装置的气体流量的计算方法，同时也表明了装置的两种标定方法：几何测量法(标定气缸截面积与活塞运动速度)和容积法(标定单位脉冲体积)。这两种方法都以确定装置标准容积为目的，故又称为容积计量的标定方法。

2 装置标定方法

2.1 容积法

2.1.1 标定方法

容积法标定原理如图1所示。标定介质用纯净的液态水，标定用主要仪器是一等标准金属量器。标定方法是先将气缸内充满水，通过活塞运动，置换出的水体积用量器量出，得出排出容积，同时记录下驱动电机的相应脉冲数N，就可以计算出体积标定系数。

图1 活塞标准装置标定的容积法

2.1.2 影响测量不确定度的关键因素

1)20℃时的计算容积量

(3)

式中：VP为在一次标定中测出的气缸在20℃时的排出体积值，L；VS为在一次标定中，标准量器示值，L；βS、βW、βP分别为标准量器材质、水、气缸材质的体膨胀系数，1/℃； tS、tP分别为标准量器、气缸内的水温，℃；pP为气缸内液体压力，Pa；D为气缸内径，m；E为材质弹性模量，Pa；h为壁厚，m; FW为水的压缩系数。

式(3)等式右边第二、三、四项是温度变化引起的体积影响量，最后一项是液体压力产生的气缸体积变化量。

2)体积系数的标定

(4)

式中：ζi为在第i次标定中所测得的装置的标定系数，L；N为在第i次标定中显示器所显示的与VS相对应的脉冲数。

3)影响测量不确定度的主要因素

a.标定系数ζi的重复性；

b.标准量器VS的不确定度；

c.旋转编码器所发出的脉冲数的不确定度；

d.标准量器材质的体膨胀系数βS、水的体胀系数βW和气缸材质的体膨胀系数βp的不确定度；

e.标准量器中的水温tS、气缸中的水温tP的不确定度；

f.气缸内径D、气缸壁厚h的测量不确定度；

g.气缸内液体压力pp的不确定度；

h.水的压缩系数FW的不确定度。

2.2 几何测量法

2.2.1 标定方法

几何测量法标定原理如图2所示。标定用主要仪器是内径千分尺和深度千分尺，无需介质。标定方法是沿活塞运动方向划分n个测量面，截面间距一般不大于100mm,在每个测量面沿径向均匀测量m次，这样可以得到气缸截面积A。同时，记录一定时间内活塞运行一定距离的脉冲数，得到单位脉冲的运行速度v。

图2 活塞标准装置标定的几何测量法

2.2.2 影响测量不确定度的关键因素

1)截面积计算

(5)

式中：Di为内径千分尺读数，m；an、ap分别为内径千分尺、气缸的线膨胀系数，1/℃。

2)体积系数的标定

(6)

式中：H为第i次标定时活塞的运行距离；as为深度千分尺的线膨胀系数，1/℃；T为活塞运行H的时间，s。

3)影响测量不确定度的主要因素

a.标定系数ζ的重复性；

b.内径千分尺和深度千分尺的不确定度；

c.旋转编码器所发出的脉冲数的不确定度；

d.千分尺、缸体的线膨胀系数的不确定度；

e.环境温度、缸体温度的不确定度；

f.计时器的不确定度。

2.3 两种方法的比较

如上所述，容积法标定装置时，介质承担了置换气缸标准容积的作用。测量不确定度的组成除了环境温度、容器量器带来的不确定度外，还有介质带入的分量，包括温度引起的体积变化和液体压力造成的缸体变形等因素。几何测量法标定装置时，测量不确定度的组成主要是测量尺、计时器和环境温度带来的分量等。因此，单就影响量的多少而言，几何测量法简单、可靠。

然而实际标定过程中，几何测量法对测量条件要求高，为了获得准确的缸体容积，需要复杂的测量步骤和开放的测量条件。相比较而言，容积法具有明显的优势，介质承担了气缸容积值的传递，故无需拆卸，不影响标准装置的后续工作，故在标准装置的后期检定中都采用容积法。

3 总结

标准装置是实验室进行量值传递的重要设备，装置标定是确保装置稳定、可靠的重要手段。本文详细讨论了容积计量在活塞式流量标准装置标定中的应用，包括容积法和几何测量法。通过分析两者的工作原理、数学模型和测量不确定度的影响量，指出：在活塞式气体流量装置标定时，几何测量法具有影响量少，测量可靠的优点，但操作复杂，且测量条件要求高；容积法利用介质承担了标准容积的传递作用，使操作更简单，对装置后期使用无影响，当然由于介质的引入，也带入了更多的不确定度因素。故标准装置的初始检定时，宜使用几何测量法，而装置的后期检定和周期检定时，宜采用容积法。

[1] 廖新，杨有涛，等.湿式气体流量计[M].中国质检出版社，2013

[2] 赵万星，廖新，等.量值比对中传递标准稳定性评估及其作用[J].工业计量，2013(7)

[3] 梁国伟，蔡武昌.流量测量技术及仪表.机械工业出版社，2002

[4] JJG 209—2010体积管[S]

[5] JJF 1059—2012测量不确定度评定与表示[S]

*质检总局科技计划项目(2012QK377)，重庆市质监局科技项目(CQZJKY2014033)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.14