稱重式液體流量標準裝置衡器選擇

王俊濤，蒲莉萍，陳孟闖

（新鄉航空工業（集團）有限公司，河南 新鄉 453049）

0 引 言

隨著社會的不斷進步，科技快速發展，流量計量越來越受到重視。近年來流量計量相關技術也取得了突飛猛進的發展，各種新式流量計相繼投入使用，老式流量計也有了很大的技術提升。從國家級院所到地方計量檢測部門，都建立了流量標準并開展流量標準相關技術研究，以滿足工業系統對流量計計量的需要[1-2]。

液體流量計量是流量計的重要分支，其標準裝置應用廣泛，原理多樣，其中以稱重流量標準應用最為廣泛，具有運行穩定、效率高、精度高等特點。衡器是稱重法流量標準的重要組成部件，合理正確的設計選擇標準的衡器是建立一套稱重式流量標準的基礎[3]。

1 衡器簡介

現在常見的衡器主要有機械式衡器和電子式衡器，近年來，電子天平以精度高、反應快、體積小、壽命長、使用方便、功能齊全等特點應用更加廣泛[4]。

20世紀80年代以前生產或購買的液體流量標準所使用的衡器多是機械式天平，采用人工手動操作，效率低下。隨著自動控制及電子技術的不斷發展，流量標準裝置自動化程度不斷提高，選擇衡器時，也可以選擇能夠和計算機通信的電子天平。

2 液體流量標準裝置衡器選擇

2.1 規程解讀

JJG 164-2000《液體流量標準裝置檢定規程》中多處提到對衡器的要求[5]，在此一一解讀。

通用技術要求中，4.3.1.1衡器一般采用機械衡器或電子衡器，電子衡器應用自校功能。4.3.1.2衡器的電纜、容器的連接管路和電纜不應在衡器上產生附加力。自校功能是為了保證在檢定周期內天平的準確性，以保證裝置的性能，其他部件與衡器脫開是衡器正確使用的基礎。

計量器具控制中，5.1.1.1檢定衡器用標準砝碼，其不確定度應優于衡器不確定度。說明衡器的檢定，使用標準砝碼，不確定度更優的砝碼所檢出的結果可信、可用。

在5.2.5衡器檢定中，介紹了衡器檢定的方法，不確定度評定方法。

在5.2.9.2機械衡器動態效應檢定中，介紹了機械衡器動態效應的檢定方法和不確定度評定方法。

在5.2.10.1裝置合成不確定度中，列舉了不同原理液體流量標準不確定度合成的公式，從各質量法原理公式中可以看出，衡器不確定度為裝置合成不確定度的主要項。

2.2 技術性能要求

2.2.1 稱量范圍

稱量范圍是指最大稱量到最小稱量之間的范圍。

最大稱量是電子天平的一項重要指標，指不計添加皮重時的最大稱量能力。選擇電子天平時，要選合適的最大稱量。液體流量標準裝置有其流量范圍指標Qmin～Qmax。流量計在被檢時每次測量時間不應少于裝置要求的最短測量時間t，以渦輪流量計為例，檢定時要求流量計檢定點包含qmax，每個檢定點的檢定次數不少于3次，對于準確度等級優于0.5級的流量計，每個流量點的檢定次數不低于6次。為滿足流量計檢定的基本要求，同時提高流量計檢定的工作效率，電子天平的最大稱量至少要大于3Qmax·t。

稱重法液體標準裝置要求液體從容器頂部注入，在沒有緩沖裝置的情況下，液體注入的過程中尤其是大流量狀體將會對天平產生較大沖擊。設介質密度為ρ，最大流量狀態時，介質出口流速為ν0，則流體對天平產生的沖擊力為ρ·Qmax·ν0。

對介質進行稱重還要考慮需要容器對介質進行收集及稱重箱，稱重箱在滿足使用要求的情況下質量m0越輕越好。

除了考慮以上稱量因素，為保證天平不會因過載而損壞，最大稱量需加一定的保險系數，也就是最大載荷再放寬一些，但并不是越大越好。此處可取Qmax·t。

所選電子天平最大稱量為

最小稱量應理解為樣品每次添加的最下劑量，小于該載荷值時稱量結果可能產生過大的相對。不同等級天平最小稱量如表1所示[6]。

表1 不同等級天平最小稱量

2.2.2 分度值

分度值是天平的重要參數，有實際分度值和檢定分度值e。實際分度值是指相鄰示值之差，即可顯示的最小讀數，檢定分度值用于劃分天平級別與計量檢定，以質量單位表示的值，檢定分度值應滿足d≤e≤10d，在一般情況下，檢定分度值e還應服從e=10kkg，其中k為正整數、負整數或零。選定電子天平時，要從絕對精度即檢定分度e值著手，如選擇0.01 mg的天平，不能將精度概要表述為1/10000或1/100000，這樣有時是相對精度，而實際精度可能達不到使用要求[6]。

某流量標準裝置在流量點0.1 mg/s進行檢定時，一次檢定時間為20s，則一次稱量重量為0.2mg，若采用精度為十萬分之一，最大稱量0.1 kg的天平（其絕對精度只有0.1 mg），所得出的結果是不準確的。

2.2.3 不確定度

從液體流量標準裝置合成不確定度分項看，衡器所引入的不確定度是其主要項，其不確定度大小將在很大程度上影響裝置整體不確定度。選購天平時，可以直接看到最大稱量、分度值等參數，卻不能知道不確定度與什么參數相關，在考慮不確定度的情況下選擇天平時，將會無從下手。下面分析一下稱重法液體流量標準裝置用天平不確定度的計算。

以某電子天平為例：型號為ME4002；最大稱量為4200g；可讀性為0.01g；重復性為0.01g；線性誤差為0.02g。

由以上參數及電子天平檢定規程可知，實際分度值d=0.01g，取檢定分度值e=10d=0.1g。

檢定分度數 n=Max/e=4.2×104。

天平準確度等級為 II級 e≥0.1 g，5×103≤n≤1×105。

其最大允許誤差為±1.0e，即±0.01g。

以某被測物體m為例，在天平對物體進行稱量時，假設天平讀數為n，則有

m=n，u（m）=u（n）

假設天平的線性誤差引入的不確定度符合均勻分布，已知用天平進行稱量時，其線性誤差是其不確定度的主要來源。所以，在不知道天平不確定度時，可以用天平最大允許誤差除以作為電子天平的不確定度估算，即根據天平等級，檢定數及檢定分度值進行估算[7]。

2.2.4 其他要求

選購電子天平時除考慮其以上介紹主要參數外，還要考慮天平結構、尺寸等是否滿足現場需要?，F代流量計量標準多設有測控系統，以實現實驗過程的自動控制和數據自動采集處理。所以在選擇電子天平時要求天平電子系統具有通信功能和相應的結構，便于天平與系統相連等。

3 衡器檢定

3.1 衡器檢定方法

在使用量限范圍內取10個均勻分布點，用標準砝碼從J=1逐步加載到J=10，完成第一次測試；再從J=10逐步卸載到J=1，完成第二次測試。分別記錄下加載質量m1、卸載質量m2、衡器讀數Rm和空容器衡器讀數的平均值R0，計算各檢測點的不確定度，取最大值為電子天平的不確定度[5]。

第j點單次測量A類相對標準不確定度：

第j點B類相對標準不確定度：

式中：Δmi——負載（mj+R0）時第j點第i次測量差值，

Δmi=Rmi-（mj+R0），kg；

Δm——第j點的平均值，kg；

mj——第j點標準砝碼的質量，kg；

Rmi——質量為mi的標準砝碼第i次測量時電子天平的讀數，kg。

3.2 檢定實例

以某單位滑油流量標準裝置用150kg電子天平為例，天平型號：KCC150s，編號：3078087，制造廠家：德國。

表2 電子天平檢定數據表

R0=50.00kg。檢定數據如表2所示。

A類相對標準不確定度為s2=0.003%。

B類相對標準不確定度為u2=0.006%。

4 結束語

本文介紹了衡器選擇的方法技巧，提出對液體流量標準各需求參數的估算方法及對電子天平的選擇要求，以期能夠很好地指導稱重式液體流量標準裝置設計時對衡器的選擇。

[1]蘇彥勛，梁國偉，盛健.流量計量與測試[M].2版.北京，中國計量出版社，2007.

[2]仝衛國，李國光，蘇杰，等.計量測試技術[M].北京：中國計量出版社，2006：146-168，227-247.

[3]王池，王自和，張寶珠，等.流量測試技術全書[M].北京：化學工業出版社，2012.

[4]錢振華.淺談電子天平的選擇和使用[J].化學分析計量，2010（5）：76-78.

[5]JJG 164—2000液體流量標準裝置國家計量檢定規程[S].北京：中國計量出版社，2000.

[6]JJG 1036—2008電子天平檢定規程[S].北京：中國計量出版社，2008.

[7]唐勝睦.檢定砝碼用電子天平的選擇[J].上海計量測試，2013（1）：47-48.