紧凑式标准表法气体流量标准装置的应用

杨长星/思达斯易集团上海思达斯易仪器仪表有限公司

0 引言

随着我国天然气管网的完善和天然气价格机制改革的不断推进，天然气消费将继续增加。预测到2030年，我国天然气需求量为5 000亿至6 000亿立方米，对流量测量的准确度及测量范围的要求越来越高，因此对气体流量标准装置也提出了更高的要求。标准表法气体流量标准装置[1]是检定气体流量计的常用装置，由于它结构简单，操作方便，工作效率高，因此深受用户的欢迎。目前荷兰FMG公司研制出的一种紧凑型标准表法气体流量标准装置（以下简称测试台），已在本单位（简称公司）得到成功应用。

1 装置概述

测试台是以减少占用空间、提高标定效率、降低能耗、提供高准确度的标定服务为总体设计思路。图1为测试台整体外观，可以看出测试台结构非常紧凑，占用空间非常少，在一个办公桌大小的装置上就能对DN150以下口径的气体流量计（准确度等级0.5级及以上）进行检定或校准。

硬件方面，测试台标准表选用特殊设计的专门应用在测试装置和移动基准的优化型双转子腰轮流量计。这类流量计重复性、长期稳定性非常优良，几乎没有脉动流影响。测试台配置的标准表分别是四个独立的核查表，任意一台或多台可对其他的标准表进行相互核查。这样对标定的准确度更有保证，并在使用中得到了验证。测试台装备有高品质传感器，以及全自动、智能化控制系统，能减少热膨胀效应。通过采用内置时钟的多通道数字分析模块，它可以高精度地采样和收集相关数据。流量的调节是通过变频风机结合风量调节阀实现的，可以在量程范围内快速准确地调节到所需流量，使得标定工作效率大大提高。

图1 测试台整体外观

软件方面，通过智能设计、自诊断功能及采用高质量的软件，保证了其维修维护量在最小范围。采用互联网技术可远程操作，轻松得到来自FMG的技术服务与支持。计算机操作界面提供通俗易懂的菜单结构及完整的系统流程画面。强大的软件功能使得在标定不同类型的流量计时可以实现一键启动，自动完成整个标定过程，所有必要的数据均可在测试过程中显示可见。密码保护与用户分级管理功能提供重要数据和设置的安全保护。

2 装置组成和原理

测试台主要硬件设备有标准表、压力变送器和温度变送器、阀门、风机、连接管路。整个装置的系统流程如图2所示。

图2 装置的系统流程图

测试台控制系统如图3所示。控制系统采用BK9000总线耦合器，以KL2408、KL3222、KL3454、KL4004和KL9010为扩展模块的数字信号总线系统为下位控制器，Testbench为上位机监控软件。测试台可以对多种气体流量计进行标定，传感器模块可同时采集被检表的4个脉冲信号，所有组件使用相同的参考点，这样对各信号的采集处理更准确迅速。最大化节约空间，操作灵活简便。

图3 装置控制系统图

测试台以空气为气源的负压法标准装置，被检流量计和标准表以及风机由管路及阀门连接起来，标准表为三台气体腰轮流量计，根据设定的流量大小自动选择一台或多台标准表组合。当设定流量稳定后，控制系统同时开始接收标准表和被检流量计的信号，并测量标准表和被检流量计处的温度和压力。到结束测试时，同时停止接收标准表和被检表的信号。控制系统把标准表的体积量换算为被检表的温度和压力状况下的体积量，最终得出被检流量计的计量性能。

3 不确定度分析

由测试台的组成和原理可以看出，整套装置的合成不确定度主要包括[2-3]：检定标准表装置不确定度、标准表的不确定度、标准表处温度和压力测量的不确定度、被检流量计处温度和压力的不确定度、装置计时器的不确定度。表1为整套装置测量不确定度一览表。

表1 测试台整套装置测量不确定度一览表

3.1 检定标准装置的不确定度

检定标准表用的流量标准装置的扩展不确定度Urel= 0.16%，包含因子k= 2，则检定标准装置的标准不确定度ur(Vs) = 0.08%。

3.2 拟合曲线引起的不确定度

测试台的标准表为气体腰轮流量计，非定点使用，不使用仪表系数。对标准表进行二次曲线拟合，流量 - 误差系数表达式为：eK=aq-2+bq-1+c+dq+eq2。对标准表测试n个点，第i个测试点的流量示值是qi，示值误差是ei，vi=ei-eKi。拟合曲线引起的标准不确定度按式（1）计算得到ur(e) = 0.10%。

3.3 标准表仪表系数重复性的不确定度

标准表仪表系数定点测量的重复性的不确定度ur(K)取各流量点仪表系数的不确定度中最大值。测试台三台标准表经溯源，校准证书中各流量点重复性最大值为0.02%，则标准表仪表系数重复性的不确定度ur(K) = 0.02%。

3.4 标准表处温度测量不确定度

测试台标准表处温度测量使用的温度变送器最大允许误差为±0.15 ℃，按均匀分布，气体温度为20 ℃，则标准表处温度测量的标准不确定度为

3.5 被检流量计处温度测量不确定度

测试台被检流量计处温度测量使用的温度变送器最大允许误差为±0.15 ℃，按均匀分布，气体温度为20 ℃，则标准表处温度测量的标准不确定度为

3.6 标准表处压力测量不确定度

测试台标准表处压力测量使用的压力变送器最大允许误差为±0.1%，按均匀分布，则标准表处压力测量的标准不确定度为

3.7 被检流量计处压力测量不确定度

测试台被检流量计处压力测量使用的压力变送器最大允许误差为±0.1%，按均匀分布，则被检流量计处压力测量的不确定度为

3.8 计时器不确定度

测试台的计时器经溯源，30 s时间间隔的测试数据如表2所示。

表2 时间间隔测试数据

第i次差值按式（2）计算

平均差值按式（3）计算

A类标准不确定度：

B类标准不确定度：

计时器标准不确定度：

3.9 装置合成标准不确定度

装置的合成标准不确定度

4 测量结果的验证[4-5]

测量结果的验证采用比对法验证，选取一台FMG生产的气体涡轮流量计作为比对的传递标准，测量范围为80～1 600 m3/h，准确度等级为1级。参与比对实验室的装置分别为：公司的测试台，测量范围为0.4～1 600 m3/h，装置标准不确定度Urel=0.32%（k= 2）；lab1的临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置，测量范围为2～4 500 m3/h，装置不确定度Urel= 0.16%（k= 2）；lab2的临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置，测量范围为1～7 000 m3/h，装置扩展不确定度Urel= 0.29%（k= 2）。lab1和lab2均为国家法定技术机构。传递标准流转路径依次为公司、lab1、lab2、公司。三个实验室的测量结果见表4。

表4 测量结果汇总表

5 结语

虽然测试台的占用空间变小了，但其各项性能依然能够满足测试需求。测试台上所有主标准器、配套设备以及整套装置都经过国家法定技术机构溯源，溯源结果达到测试台的设计要求。通过分析测试台整套装置的不确定度和对测量结果的验证，证明测试台可用于膜式燃气表、气体腰轮流量计、气体涡轮流量计和气体超声流量计的检定或校准。公司在日常检定或校准工作中通过与临界流喷嘴法气体流量标准装置比较发现，测试台的优势在于流量稳定时间短，检定或校准效率可提高30%以上，并且能耗也大大降低。