科氏质量流量计标准表法水流量标准装置

桂文浩

(艾默生过程控制流量技术有限公司，江苏南京211100)

0 引言

随着人们对产品质量、工艺控制、生产流程和成本控制的要求越来越高，越来越多高精度、高性能的流量计产品进入到各个领域。如何保证这些高精度流量计产品的准确性，对生产企业的计量工作提出了更高的要求。如何建立高精度、高可靠性、高效率的流量校准装置，已经成为计量工作中的重要一环。

容积法和称重法流量校准装置由于其便于溯源，基准较易获得，故在国内的应用时间较长，并广泛用于企业和实验室。但该型系统存在效率低，测量时间长，维修维护困难，易受干扰，适用范围窄，成本高，随着管线尺寸的增加，投资和系统尺寸成倍增加，对于流量计生产企业或测试任务繁重的实验室，已越来越难以满足他们的需求。

标准表法适应范围宽，抗干扰能力强，效率高，可靠性高，已得到越来越多企业和实验室的认可。本文介绍一种采用Emerson公司旗下MicroMotion生产的CMF系列高精度质量流量计的标准表法流量校准装置。

1 标准表法水流量标准装置的组成

标准表法水流量标准装置，即是指一种采用流量计作为计量基准，使流体在相同时间间隔内连续通过标准流量计和被检流量计，通过比较两者的输出流量值，从而确定被检流量计的计量性能。由于标准标法流量装置可以实现连续流，不需要使用换向器和启停阀门，从而大大减少了系统的设计难度，尤其是换向器，消除了换向器设计制造误差而引入的流量测量误差。另一方面，由于实现了连续流，故而该装置在保证直管段的条件下也可直接用于测量电磁、涡街、超声等其他多种流量计，拓宽了使用范围，提高了使用效率，简化了现场操作。

图1是一种采用科里奥利质量流量计做为标准表的水流量校准装置。主要由流源系统(水箱和变频调速水泵)、标准表组(多台并联安装的质量流量计)、被测表工位、阀门组(开关阀、节流阀)和信号采集与控制系统(频率计数、毫安测量、数据采集、误差计算、报告)组成。

图1 系统工作原理简图

标准表部分由五台高精度科里奥利质量流量计组成，分别为CMF025，CMF050，CMF100，CMF200和CMF300;五台流量计采用并联的方法，最小流量可达到1.8 kg/min，最大流量可达到3000 kg/min，故而其量程比达到了1500。对于该流量范围的任一流量，系统会选择相应流量范围对应的标准表路径作为其测试表，故对任一流量，只会有一台标准表作为实际使用的标准表，从而保证了系统的精度和稳定性。安装方案如图2所示。

图2 质量流量计并联标准表组

2 标准流量计的检定和校准

标准表法装置在使用过程中的一大问题就是如何进行周期检定和校准，从而保证标准表的稳定可靠和溯源。有以下几种方法:

使用标准表和称重法混合集成的流量标准装置，通过使用串联集成的称重装置对标准流量计实现在线式检定。这种方法的优点是不需要拆除标准流量计，节省安装调试标准表的时间和由于拆卸标准表而可能造成的问题;缺点是投资大，设备复杂，由于集成有称重法设备，操作维护复杂。

标准流量计离线式检定，即将标准表流量计从装置中拆除下来，在其它可以溯源的称重法或体积法的流量标准装置中进行检定，然后再将其装回原标准表法流量装置中。这一方法的问题是需要对标准流量计进行拆装，大大增加了现场检定的难度，并且不能排除人为安装等因素所产生的问题，尤其在高精度的场合，该方法带来了较大的不确定性。

综合以上两种方法的优缺点，本文介绍了一种新的方法，即传递标准表法。即使用一套传递标准表，将传递标准表在可以溯源的称重法或体积法流量装置上进行检定，评估其不确定度，然后将其作为传递标准，放入待检定的标准表法流量装置上，对标准流量计进行检定，这样可以做到在不拆除装置上标准流量计的情况下直接对其进行检定。这种测试方法简便易行，测试数据详细可靠，故而通过较为详实的数据，可以给出科学的不确定度评估方法。称重法及传递标准表法溯源见图3、图4。

图3 标准表法装置的溯源链(称重法)

图4 标准表法装置的溯源链(传递标准表法)

表1给出了型号为CMF200的标准流量计在质量法流量标准装置上的测试数据及不确定度计算。该质量法流量标准装置的不确定度为0.03%(k=2)，测试流量点共有9个点，覆盖了该型号流量计的实际使用流量，每点重复6次，并对实验结果进行基于最小二乘法的线性化。根据数据结果和溯源链可以发现，由于采用了一次传递，故本次测量下该标准流量计的扩展不确定度可以达到0.031%(k=2)，与称重法流量标准装置的不确定度几乎相同。

表1 标准流量计CMF200不确定度的计算

表2给出了型号为CMF100的传递标准在质量法流量标准装置上的测试数据及不确定度计算，共测试了10个流量点，覆盖了该型号流量计的实际使用流量，每点重复6次。本次测量下的该传递标准的扩展不确定度可达到0.035%(k=2)。

表2 传递标准表CMF100不确定度的计算

表3是在直接使用以上传递标准对标准表法流量标准装置中的标准流量计进行测试，其测试方法同表2所列测试方法，根据表3计算结果可发现基于此方法的最终标准流量计的扩展不确定度约为0.05%(k=2)。

相比直接称重法，传递标准法多了一次传递，故而引入了一定的不确定度，但是由于该方法无需拆装标准流量计，排除了人为因素所导致的系统问题，间接保证了标准流量计的可靠，稳定工作，加上不需投资小，系统结构相对简单，维修维护方便，且该测试方法有效可行，测试数据充分，为评估其不确定度提供了可靠的依据，也为使用该方法提供了理论与实验数据。

3 标准流量计的期间核查

本文使用同样为CMF100的质量流量计作为期间核查的被测流量计，选用了两个流量点作为测试流量点，流量点涵盖了该型流量计的使用范围，选取平均误差最大的流量点作为该次的核查点，引入了评估系数En.

图5所示为根据最近三个月的期间核查数据所作出的趋势图，可以看出评估系数最优时为0.05，最差时为0.5，也就是说该标准流量计随着时间的变化，其最大误差值也优于0.02%。另一方面，通过采用期间核查和评估系数的方法，从另一方面证明了采用科氏质量流量计的标准流量计的稳定性和可靠性。

图5 CMF100标准流量计的评估系数趋势图

综上所述，使用科氏质量流量计作为标准流量计应用到流量标准装置上是有效的，可行的。通过实验数据的分析，使用高精度科氏质量流量计，大大提高了标准表法装置的精度和稳定性，为该型装置的推广应用奠定了基础。

［1］JJG643-2003标准表法流量标准装置检定规程［S］.

［2］Dean M.Standiford.New Design for a Transfer Standard Method Flow Stand［S］.2013 Flomeko