流量积算仪校准与测量不确定度分析

苟宇璇

（山丹县市场监督管理局 甘肃张掖 734100）

1 前言

流量积算仪是市场监督管理部门日常工作的重要仪器，通过对各类产品的含量数值进行测定，将结果与规定范围进行对比分析，明确产品是否合格，发挥有效的市场监督作用。然而，流量积算仪在使用过程中会受到各类因素的影响， 进而对其准确性造成影响。 因此，需要针对流量积算仪进行校准工作，在调试仪器时需根据不确定度来明确范围， 仪器的应用不确定度是校准工作的重要参数支持。基于此，本文针对流量积算仪校准工作进行研究， 结合数字模型与不确定度分析结果， 对提升流量积算仪的应用效率。

2 流量积算仪的基本原理

流量积算仪器在使用过程中， 需要对传感器的流量变速情况进行收集与分析，进而对温度、温度信号以及压力传感器输出相应的补偿信号。 同时计算机平台会针对各类数据进行计算与分析， 将测量情况转化为数据值形式， 使产品情况得到最直观的呈现[1]。 通常情况下，流量积算仪输出的信号分为流量传感器输出的脉冲信号以及差压变送器输出的模拟信号。 由于这2 类数据信号在转换过程中会对数值造成一定的改变，从而形成流量积算仪的不确定度。因此， 在使用流量积算仪与校准工作中都要参考不确定度[2]。

3 测量不确定度产生原因

3.1 模数转换

流量积算仪的测量装置在与数据信号处理装置进行连接时，可以将产品情况转换为各类数据，然而信号转换过程中会对原始数据情况进行改变， 造成数据与实际不相符的情况。 例如在信号模数的转换工作中A/D 转换器的位数不同，进而导致分辨率产生误差，这样会影响到各类信号数据的附加状态，并且对计算机分析平台造成不同程度的影响， 使流量积算仪的显示结果存在误差[3]。

3.2 补偿运算模型

流量积算仪在对产品进行测定时， 仪器的主要运行模式为蒸汽密度与天然气压缩模式， 通过对数据信息进行补偿计算，将情况信息转化为数字信息，由于不同数值的差异性特点， 相应的补偿系数也不同， 相同的是这2 种补偿方式都是采用函数模式进行计算，也就是 Z=f（x，y）。

上述函数公式中， 将x 与y 设定为流量积算仪测量过程中的变化量， 分别代表温度数值与压力输入数值，也就是流量积算仪常用的查表法与函数法。

（1）查表法，首先要对储存器中的密度表情况进行固化处理，并且在固定时间段中对密度数值的变化情况进行采集与分析，围绕2 个固定时间点，采用插值法以平面方程的方式对结果进行测定。但是由于实际密度表属于曲面函数范畴，因此在进行曲面与平面计算工作时，需要对相关的偏离值进行确定[4]。

（2）函数法，该方式也是采用曲面函数形式来计算，由于蒸汽密度表是离散形式的，因此在对实际密度值进行测定时，会被无规律的表格所影响，只能采用连续的数学模型或函数进行模拟， 这样在部分区域会存在点与面不符合的情况。也就是说，采用函数法与查表法都会受到不确定数值的影响， 降低流量积算仪的应用准确性。

3.3 温度漂移

流量积算仪在使用过程中， 对周围环境的温度也存在一定的要求， 这是由于元器件使用过程中会受到外在环境温度的影响，例如将测定结果转化为数据信号， 需要放大数据对两端的网络进行有源处理，输入输出的关系随着温度的变化而造成测定数值的偏移情况，使流量积算仪在使用中产生不确定度。

3.4 元件偏离值

元器件除了自身受到外界环境因素的影响，其自身的应用中也会产生偏离情况， 无论是多么精密的元器件， 在长期使用后都会与原定的设计参数产生差异。同时，这种真值与元件之间的偏移量如果没有得到及时校准，将会持续增长，从而严重影响到流量积算仪的使用效果。 其主要原因为转化电量值在传输过程中受到仪器元器件的影响， 电流与电压方面都产生部分损耗， 有时还会产生电流与电压增加的现象，导致仪器测量的不确定度[5]。

3.5 采样周期

流量积算仪在使用时， 针对产品信息采用阶段采样模式， 也就是根据采样周期对产品进行反复测量，这样可以对测定结果进行反复核对，以此来提升仪器显示数值的准确程度。但是，流量积算仪在使用过程中，采样周期频率会受到零部件老化的影响，从而导致重复测试周期降低， 而且零部件还会对高频测试结果造成干扰影响， 最终导致采样数值与实际情况存在极大的差异，也就是仪器的测量不确定度。因此，想要保证流量积算仪的应用准确性，需针对各类不确定的产生原因进行实验， 明确各类因素的影响范围，这样才能为流量积算仪的校准工作，提供准确可靠的数据依据， 进而保证市场监督测量工作的顺利开展。

4 流量积算仪校准与测量不确定度分析

4.1 测量依据

本次测量实验的依据选择为JJG1003-2016《流量积算仪检定规程》，在测定实验前要对整体环境进行调整， 具体参数如下： 将外界温度控制为15～25℃， 将外界的相对湿度控制在45%～79%之间，保证交流电源的数值为（220±22）V，将运行频率的数值控制在（50±1）Hz。

结合流量积算仪的工作原理展开分析， 例如针对仪器的输入输出单元、中央处理装置、显示装置以及操作按钮构成情况进行深入分析， 并且在外界不同的压力与温度情况下， 对数据信号的输出质量进行测定。 这样可以将流量积算仪的显示过程与传感器的数据采集过程相结合， 并且采用相应的函数模式对流量情况进行计算。此外，流量积算仪的配套装置也要对模拟信号的输出环境进行确定， 具体为流量变送器以及其他变送器的输出情况， 需要针对数学模型计算结果中的累计流量与瞬时流量进行整理分析，以此来明确流量积算仪的储存、显示以及传送过程。

本次实验的具体测量方法为在规定的环境条件下，针对流体的压力、温度以及补偿信号等数据情况进行电流模拟源分析， 同时结合脉冲信号的变化结果对流量积算仪内部的综合影响参数进行分析。 采用模型计算的方式来显示实际情况与显示数值之间的变化函数，以此来明确流量积算仪的测量误差。选择1 台准确度为0.5 级的流量积算仪作为实验对象，通过对其实际应用数值进行分析，以此来判定该积算仪的不确定度。

4.2 数字建模

体积流量与实际检测过程中的压力与温度数值存在直接联系，可以根据理想气态方程，针对流体的实际流量， 实际温度以及压力情况进行数学建模分析，具体公式如下：

上述公式中，将Qv设定为流量积算仪的瞬时体积流量，将f 设定为信号频率提供的相关信号，将TN设定为标准状态下仪器的外部温度情况，将PN设定为标准情况下仪器的外部气压情况，将Pa 设定为外在补偿温度数值， 将T 设定为外在补偿压力数值。根据公式可以看出， 当流量积算仪的外部温度情况与压力情况产生变化时， 都会导致瞬时体积流量的变化，进而造成仪器的测量不确定度。 反之，通过对仪器的变化情况进行分析， 并且针对不同的温度与其他条件进行实验，就可以分析出不同外在环境下，流量积算仪产生的最大不确定度， 届时针对模拟输入的温度与压力情况进行数学建模分析， 便可以对模拟电流与模拟电压值进行确定。

4.3 不确定度评定

在对流量积算仪的不确定度进行评定时， 需要对仪器的涡轮流量数值进行测定， 这样可以根据标准压力数值与实际情况的偏差来核对不确定的范围， 同时也要针对标准温度数值与实际情况来进行判定。通过计算，可以得出瞬时标准体积流量的数值为995.74 m3/h。同时，在保证外在环境条件相同的情况下，还要针对流量积算仪的测定结果进行10 次独立重复测量，具体结果如表1 所示。

表1 流量积算仪显示值重复性测量结果

针对流量积算仪显示值的重复性情况进行分析， 可以看出10 次测试的数据结果保持在996.27至999.40 m3/h 之间， 同时10 次测量的平均数值为997.69 m3/h。 10 次测量工作产生的数值结果分别为 997.90、996.27、997.52、998.65、998.70、997.31、999.40、997.14、996.59、997.43 m2/h。根据流量积算仪的输入量对标准不确定度进行分析， 并且采用相似的频率信号进行对比判定， 将分辨力设定为0.01Hz，按照均与分布的模式进行排列，可以得到以下计算公式：

上述公式中， 主要将标准不确定度的影响因素划分为温度与压力的影响， 通过对不同情况下数据情况进行分析， 并且针对温度信号与压力信号进行模拟分析，这样可以将分辨力控制在0.01 mA，并且将不确定度的分布区间控制为0.005 mA 左右，最后针对流量积算仪分辨力进行分析， 同样将分布区间的宽度设定为0.005 m3/h，这样可以得到计算公式：

4.4 不确定度计算

将流量积算仪的实际作业环境代入到相应公式中，也就是对温度情况、压力情况，温度补偿系数以及压力补偿系数进行汇总处理， 这样可以对仪器的灵敏系数进行判定， 以此计算出流量积算仪的标准不确定数值。此外，由于仪器的重复性与不确定度数值相同， 因此要进一步分为标准不确定分量数值与不确定度数值， 从而对校准工作提供准确的数据支持。 相关数值的实验结果如表2 所示。

表2 流量积算仪标准不确定度汇总情况

结合上表可以了解到， 对于重复性不确定度造成的影响，对流量积算仪标准不确定度分量形成的影响具体为0.312 m3/h，此时灵敏系数为1，进而可以计算出该项影响因素所产生的不确定度为0.312 m3/h；对于频率信号不确定度造成的影响， 对流量积算仪标准不确定度分量形成的影响具体为2.888×10-3Hz，此时灵敏系数为1.582 m3/h Hz-1， 进而可以计算出该项影响因素所产生的不确定度为4.565×10-3m3/h；对于补偿压力不确定度造成的影响， 对流量积算仪标准不确定度分量形成的影响具体为19.849Pa，此时灵敏系数为9.978×10-3m3/h Pa-1， 进而可以计算出该项影响因素所产生的不确定度为0.199 m3/h；对于补偿温度不确定度造成的影响， 对流量积算仪标准不确定度分量形成的影响具体为9.023×10-3℃，此时灵敏系数为-3.371 m3/h ℃-1， 进而可以计算出该项影响因素所产生的不确定度为0.031m3/h；对于分辨率不确定度造成的影响， 对流量积算仪标准不确定度分量形成的影响具体为2.888×10-3m3/h，进而可以计算出该项影响因素所产生的不确定度为2.888×10-3m3/h。

最后针对各项影响因素带来的不确定度进行汇总分析，同时对不确定度的相关数值进行拓展，可以取得拓展不确定度的数值k=2。此外，根据流量积算仪鉴定规程规定， 流量误差采用相对误差的形式来体现， 也就是围绕实际测量数值与真实情况进行对比判定，也能够取得相对拓展不确定的数值k=2。

因此，在应用《流量积算仪检定规程》的要求对流量积算仪的不确定度进行校准时， 需要考虑到各项影响因素造成的实际变化， 同时还要从流量积算仪的运行原理入手， 结合仪器的实际测定方式对不确定度的变化范围进行测定， 例如对测量数据进行计算， 求得其相对拓展的不确定度为0.08%， 而且k=2。 这样在对流量积算仪进行校准时，可以更加有效的解决仪器在检定过程中不确定问题， 对市场监督管理工作的顺利开展提供稳定保障。

5 讨论

综上所述， 流量积算仪在使用过程中会受到不确定度的影响，进而使最终的显示结果存在误差，如果没能针对这类误差情况进行合理调整， 将会影响相关检测工作的开展。因此，文章针对流量积算仪的校准工作展开研究， 首先对仪器的运行原理进行阐述， 并且阐述影响流量积算仪显示准确度的各类因素，例如温度、压力、元件、补偿以及采样等，这样可以对仪器的各类影响因素进行汇总。 其次采用实验测定的方式对各类不确定数值的变化幅度进行计算。最后对流量积算仪的不确定度进行计算，结合仪器的实际测定方式对不确定度的变化范围进行测定，例如对测量数据进行计算，求得其相对拓展的不确定度为0.08%，而且k=2。 这样在进行仪器校准工作时，可以大幅度提升工作质量。