基于校准与测量能力分布探析我国流量计量研究方向

李梦娜, 李春辉

(中国计量科学研究院,北京 100029)

1 引 言

1999年,国际计量委员会(CIPM)起草互认协议(Mutual Recognition Arrangement,MRA)该协议旨在建立一个开放、透明的综合性全球计量体系,实现各经济体(国家或地区)计量基准、标准的国际等效,实现各经济体计量院校准和检测证书的国际互认[1,2],国际计量局(BIPM)为MRA的主协调人。经原国家质量技术监督局授权,中国计量科学研究院(NIM)代表我国作为首批签署者之一加入MRA。近年来,我国获得国际互认的校准与测量能力(calibration and measurement capability,CMC)数量显著提升,截止到2021年1月共计获得1 708项,位居世界第三[3]。

流量是工业生产和科学实验的重要参数,在能源贸易结算、环境监测等领域有着重要应用。随着工业全球化进程加速,流量计量必将发挥更加重要的作用。因此,流量领域的CMC发展,对于实现我国流量计量基准、标准的国际等效,获得流量领域校准和测量结果的国际承认,支撑我国经济贸易、社会和科学技术的发展至关重要[4,5]。

本文通过对各经济体流量领域的CMC分布统计和对比分析,得到各经济体的发展现状,进而探析流量计量领域的未来研究方向。本文主要工作包括2个方面：对CMC总数排名前十的经济体在流量领域的CMC数量分布进行统计,并根据CIPM下设的WGFF的流量领域5个关键比对的分类方法,对流量测量各子领域的具体参数,包括原理、流量范围、不确定度等进行比较分析,从而得到各经济体流量领域的CMC分布和发展现状。基于我国现有流量计量基准、标准装置的测量能力和不确定度水平,结合应用需求,提出我国流量计量领域的未来研究方向。

2 各经济体流量领域的CMC现状

2.1 各经济体流量领域的CMC数量及分布

对目前CMC总数排名前十的经济体,即：美国、俄罗斯、中国、德国、韩国、英国、日本、法国、荷兰、墨西哥,进行流量领域的CMC统计。并根据关键比对的分类,即水流量(K1)、油流量(K2)、空气流速(K3)、高压气体流量(K5)、低压气体流量(K6),得到各经济体流量领域的CMC数量分布如图1所示。

图1 各经济体流量领域的CMC分布

2.2 流量领域各子领域的CMC对比分析

基于流量领域的5个子领域的分类,对其流量测量的具体参数,包括原理、测量范围、扩展不确定度U进行比较分析,得到各经济体流量领域的CMC发展现状。为便于比较各子领域的CMC的测量范围,流量单位统一为kg/s,流速单位统一为m/s,测量范围分布如图2所示。

图2 各经济体流量子领域CMC测量范围分布图

2.2.1 水流量领域

覆盖范围：水流量领域的CMC数量位于前3的经济体为荷兰9项,日本和德国各5项。

流量q范围：水流量测量的最大值qmax是日本NMIJ的3.333 kg/s,最小值qmin是荷兰VSL的6.94×10-8kg/s。 水流量测量范围最宽的是荷兰, 范围为6.94×10-8～4.17×101kg/s。

不确定度：各经济体的最小扩展不确定度Umin值集中在0.02%～0.05%;最大值Umax基本在0.10%以下。其中,较大值的是荷兰VSL的1.41%和法国LNE的0.50%,均出现在微小流量领域的CMC。

我国有4项水流量领域的CMC,测量范围为3×10-3～5.6×101kg/s,U=0.045%。测量范围居于中等水平,相对不确定度水平表现较好。测量下限与现有最小值相差近5个数量级,测量上限与最大值相差近2个数量级。水流量领域CMC参数统计表见表1所示。

表1 水流量领域CMC参数统计表

2.2.2 油流量领域

覆盖范围：油流量领域的CMC数量位于前3的经济体为荷兰6项,英国5项,德国和法国各4项。

流量范围：油流量q测量的最大值qmax是法国LNE的5.35×102kg/s,最小值qmin是日本NMIJ的4.40×10-6kg/s。油流量测量范围最宽的是日本,范围为4.40×10-6～6.70×101kg/s。

不确定度：各经济体的最小扩展不确定度Umin集中在0.02%～0.05%;各经济体最大值Umax接近,分布在0.05%～0.1%。

目前我国没有油流量领域的CMC。油流量领域CMC参数统计表见表2所示。

表2 油流量领域CMC参数统计表

2.2.3 空气流速领域

覆盖范围：空气流速领域的CMC数量位于前3的经济体为日本6项,德国5项,中国3项。

流速范围：空气流速测量的最大值vmax是俄罗斯VNIIM的1.02×102m/s;最小值vmin出现在日本NMIJ和法国LNE,为5.0×10-2m/s。空气流速测量范围最宽的是日本,范围为5.0×10-2～9.0×101m/s;除韩国的测量范围较小以外,其余各经济体的测量范围接近。

不确定度：各经济体的最小扩展不确定值Umin分布在0.09%～1.00%;最大值Umax的差异较大,其中不确定度水平较好的是中国NIM、俄罗斯VNIIM、和德国PTB,分别为0.50%、1.00%和5.45%。相对不确定度值较大的是荷兰VSL,达29.80%,另外美国NIST、法国LNE、日本NMIJ也达到或接近14%。

我国情况：我国有3项空气流速领域的CMC,测量范围为1.0×10-1～3.0×101m/s,U=0.20%～0.50%。

我国空气流速领域测量范围与位于第一的日本接近,不确定度水平表现最佳。空气流速领域CMC参数统计表见表3所示。

表3 空气流速领域CMC参数统计表

2.2.4 高压气体流量领域

覆盖范围：高压气体流量领域的CMC数量位于前3的经济体为法国6项,德国4项,荷兰和我国各2项。

流量范围：高压气体流量q测量的最大值qmax是荷兰VSL的3.30×102kg/s;最小值qmin是美国NIST的2.00×10-7kg/s。测量范围最宽的是美国,范围为2.00×10-7kg/s～6.48 kg/s。

不确定度：各经济体的扩展不确定度U水平接近,最小值Umin分布在0.025%～0.18%;最大值Umax分布在0.17%～0.40%。

我国有2项高压气体流量领域的CMC,测量范围为5.28×10-6～2.40 kg/s,U=0.08%～0.15%。不确定度水平表现较好,但测量范围偏小、压力范围较小。测量上限与现有最大值相差2个数量级,测量下限与最小值相差1个数量级。

高压气体流量领域CMC参数统计表见表4所示。

表4 高压气体流量领域CMC参数统计表

2.2.5 低压气体流量领域

覆盖范围：低压气体流量的CMC数量位于前3的经济体为德国18项,日本15项,俄罗斯4项。

流量范围：低压气体流量q测量的最大值qmax是德国PTB的8.67 kg/s;最小值qmin是日本NMIJ的1.70×10-10kg/s。测量范围最宽的是德国PTB,范围为6.90×10-10kg/s～8.67 kg/s;日本的测量范围为1.70×10-10kg/s～1.67 kg/s。

不确定度：各经济体的扩展不确定度U水平接近,最小值Umin分布在0.045%～0.15%;最大值Umax分布在0.15%～0.51%。

我国有2项低压气体流量领域的CMC,测量范围为3.56×10-4～4.62×10-1kg/s,U=0.15%～0.17%。测量范围相对较小,不确定度的水平较好。测量上限与现有的最大值相差1个数量级,测量下限与最小值相差6个数量级。

低压气体流量领域CMC参数统计表见表5所示。

表5 低压气体流量领域CMC参数统计表

3 我国流量CMC的发展方向

3.1 传统流量领域的CMC拓展

3.1.1 微小液体流量

微小液体流量测量在生物医疗、环境能源领域有着重要应用。欧洲计量研究创新项目(European Metrology Programme for Innovation and Research,EMPIR)关注药剂输送等微流量应用研究[6,7]。随着微小流体(microfluidics)概念的提出,流量测量实验室微型化的研究也在不断推进[8]。近年来,多个国家和地区的研究机构已陆续开展微小液体流量标准装置的研究。瑞士METAS基于称重原理建立的微小液体装置,其测量范围为100 nL/min～1.0 mL/min,U=0.7%～0.15%(k=2),是该领域内公开报道的测量最小值。

我国水流量领域整体处于国际先进水平,但测量下限与现有最小值还有一定差距。中国计量科学研究院正在研制的微小液体流量装置,其测量范围为100 nL/min～100 mL/min,U=3%～0.05%(k=2),该装置将我国液体流量的测量下限向下延伸近6个数量级。在未来的研究中,我国应进一步拓展液体流量装置的测量能力,尤其是微小液体流量计量领域的综合能力。

3.1.2 微小气体流量

微小气体流量测量在生物、航空、环境监测等领域的溯源需求日益增加。中国计量科学研究院研制了气体流量基准、标准装置,建立了较为完整的气体流量量值传递体系[9～11],但在测量范围的上、下限方面与国际领先水平还存在一定差距,其中测量下限与目前世界最小值相差6个数量级。目前,微小气体流量的测量下限方面领先的计量组织有日本NMIJ,其测量下限为1.70×10-10kg/s,U=0.42%(k=2),以及德国PTB,其测量下限为6.90×10-10kg/s,U=0.13%(k=2)。

中国计量科学研究院研究正在研制的活塞式微小气体流量标准装置,压力范围为0.1～0.5 MPa,测量范围为0.02～20 L/min,U=0.2%(k=2)。该装置将使我国低压气体流量的测量下限向下延伸3个数量级。

未来,我国应积极开展与微小气体流量测量能力领先的计量机构间的合作研究,进一步拓展微小气体流量的测量能力,提升我国在微小气体流量领域的国际地位。

3.1.3 高压气体流量

高压气体流量装置的压力范围是表征其测量能力的一项关键指标。如图3所示,目前美国NIST可实现最大压力值为7.5±1.2 MPa,德国PTB的压力范围为0.8～5.6 MPa,荷兰VSL的压力范围为0.8～6.3 MPa。我国高压气体测量压力范围为0.1～2.5 MPa。

图3 高压气体流量压力范围图

高压气体装置涉及到安全生产且建设维护成本较高,中国计量科学研究院的高压气体流量标准装置可实现的最高压力为2.5 MPa[9]与已有标准装置的压力最大值相差约6 MPa。因此,高压气体流量计量的压力上限的拓展,以及高压气体装置比对和测量能力的提升都将是未来重要研究方向。

3.1.4 热水流量和热量

热水是广泛使用的载热液体,热水流量计量在能源、贸易结算方面有着重要应用。德国PTB、奥地利BEV已拥有热水流量以及热量的CMC。

目前,我国没有热水流量、热量领域的CMC。中国计量科学研究院已建有热水流量标准装置,并开展热水流量、热量测量领域的相关研究。未来,将进一步提升热水流量及热量的测量能力,填补我国在该领域的CMC空白。

3.2 化石能源领域的CMC发展

3.2.1 高压天然气及LNG

近年来,中国能源结构持续演变,中国天然气年消费增长率接近10%。预计2017～2040年,天然气的比重将达14%[12]。随着全球范围天然气贸易的快速发展,天然气计量的准确度对于贸易结算、能源消费等至关重要。天然气计量属于高压气体流量计量,德国、法国、美国以及荷兰均已拥有高压天然气测量的CMC。目前,我国正在开展首次高压气体流量原级标准装置、次级标准装置的比对,未来将大力推进天然气流量测量能力提升的研究,以期尽快取得天然气计量的CMC。

液化天然气(liquefied natural gas,LNG)作为一种新型的能源,在全球天然气贸易中的占比不断提高,并有望很快超过管道天然气,引领天然气行业的强势增长。LNG的主要成分为甲烷,是气态天然气经压缩、冷却后形成的液体。LNG计量属于低温液体计量领域,美国NIST已有1项低温液体的CMC,其工作介质为液氮。荷兰VSL,已建成LNG实流标准装置。我国是LNG的进口大国,其计量需求日益增长，因此,针对LNG的低温液体流量计量的能力急待提升。

3.2.2 石 油

石油与天然气同属化石能源领域,全球范围的石油需求一直稳步增长。我国的石油需求也在持续增长,预计2017～2040年将增加19%。石油是烃类流体,属于油流量计量的范畴。油流量测量领域包括多种石油产品,如柴油、汽油、煤油等。日本、英国TUVNEL、法国以及荷兰的油流量测量能力处于领先水平。目前我国还没有油流量的CMC,相关研究工作应积极推进。

3.3 可再生及清洁能源的CMC发展

3.3.1 水 能

水能的高效利用和合理分配需要流量、流速及流向的准确测量。目前,瑞士METAS建立了世界最高水平的静水拖曳法水流速标准装置,水槽长度为140 m,流速范围为0.02～10 m/s,并已拥有水流速的CMC。中国计量科学研究院已建成水槽长度为8 m的小型静水拖曳法装置,并计划研制静水拖曳法水流速标准装置。同时开展了基于速度面积法的明渠流量标准装置,以及便携式多声道超声法明渠流量现场标准器的研究工作[13～15]。相关研究将保证我国现场水流速测量数据的准确有效,满足水流速测量的工程需要,更好地服务于我国的水能应用的发展,从而推进水流速领域CMC的发展。

3.3.2 风 能

风能是重要的可再生能源,在风力发电中,风速和风向的测量准确度是风电设备是否有效运行的核心指标。目前,依靠风杯、超声风速仪实时测量来风速度及方向的准确度较低,使得风力发电设备因无法在最佳工况状态运行,从而导致发电效率低下,甚至会造成发电设备的损坏。因此,空气流速领域中风速的测量准确度至关重要。

中国计量科学研究院建立了以激光多普勒测速仪(laser Doppler velocimeter,LDV)为标准的风速计量标准装置[16],自主研制了可调速转盘校准系统,可实现LDV的标定,从而保证风力发电中风速的准确度。随着风能的应用的快速发展,我国应进一步促进空气流速领域CMC的发展,更好地实现风电风场标定系统的溯源,推进现场风电测风仪器的在线校准,从而优化风力发电设备,提高风能发电的效率。

3.3.3 氢 能

氢能是公认的最具发展潜力的清洁能源。氢燃料电池技术,是燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转化成电能的发电装置,体积小能量大,高效且无污染。

高压气体流量计量在氢能的储存、运输、贸易结算等环节有着重要应用。特别是在氢储存方面,目前最常用且相对成熟方式是高压气态储氢。此外,加氢站(hydrogen refueling station,HRS)的计量校准也是氢能计量的重要方向。随着全球范围氢能产业的快速发展,氢能计量需求也迅速增加。日本率先于2005年就已经开展氢能相关测量的研究。美国、瑞士也分别从2015年、2019年着力推进氢能计量的研究,德国于2020年发布《国家氢能战略》以支持氢能计量的研究。因此,进一步加速开展我国氢能计量的研究工作,对于支撑我国氢能产业的发展,提升我国在氢能技术领域的国际水平有着重要意义。

4 结 论

本文通过对比分析各经济体流量领域的CMC发展现状,探析了流量计量领域未来的研究趋势。此外：针对我国流量领域的CMC现状,探讨了我国流量计量未来研究方向。得到的主要结论包括：

1) 在流量领域,我国在水流量、空气流速、气体流量的CMC整体处于领先水平,能力综合表现好。但水流量和气体流量测量的上、下限与国际领先的经济体还存在明显差距,特别是在测量下限方面,需进一步提升。

2) 传统流量领域CMC可拓展的方向主要包括：微小液体流量、微小气体流量、高压气体流量及热水流量和热量的计量等领域。

3) 基于能源领域的应用需求分析,化石能源中的高压天然气及低温LNG计量,石油产业的油流量计量,以及可再生能源领域的水流速、空气流速计量,和清洁能源领域的氢能计量也将是未来重要的研究方向。

本文的研究结果为流量计量关键技术的发展和相关检定和校准规程、规范的制定提供有利支撑。同时,研究结果对于我国流量计量未来能力提升,包括原级标准的不确定度提升和次级标准的测量范围拓展,量值传递方法研究的开展,国内量值传递体系的建立也有着重要意义。进一步研究将对流量领域的CMC与对应的关键比对(Key comparisons,KCs)和辅助比对(Supplementary comparisons,SCs)进行综合分析,从而更好地实现我国流量领域国家基准、标准的国际等效,以及校准与检测能力的国际互认。