緊湊式標準表法氣體流量標準裝置的應用

楊長星/思達斯易集團上海思達斯易儀器儀表有限公司

0 引言

隨著我國天然氣管網的完善和天然氣價格機制改革的不斷推進，天然氣消費將繼續增加。預測到2030年，我國天然氣需求量為5 000億至6 000億立方米，對流量測量的準確度及測量范圍的要求越來越高，因此對氣體流量標準裝置也提出了更高的要求。標準表法氣體流量標準裝置[1]是檢定氣體流量計的常用裝置，由于它結構簡單，操作方便，工作效率高，因此深受用戶的歡迎。目前荷蘭FMG公司研制出的一種緊湊型標準表法氣體流量標準裝置（以下簡稱測試臺），已在本單位（簡稱公司）得到成功應用。

1 裝置概述

測試臺是以減少占用空間、提高標定效率、降低能耗、提供高準確度的標定服務為總體設計思路。圖1為測試臺整體外觀，可以看出測試臺結構非常緊湊，占用空間非常少，在一個辦公桌大小的裝置上就能對DN150以下口徑的氣體流量計（準確度等級0.5級及以上）進行檢定或校準。

硬件方面，測試臺標準表選用特殊設計的專門應用在測試裝置和移動基準的優化型雙轉子腰輪流量計。這類流量計重復性、長期穩定性非常優良，幾乎沒有脈動流影響。測試臺配置的標準表分別是四個獨立的核查表，任意一臺或多臺可對其他的標準表進行相互核查。這樣對標定的準確度更有保證，并在使用中得到了驗證。測試臺裝備有高品質傳感器，以及全自動、智能化控制系統，能減少熱膨脹效應。通過采用內置時鐘的多通道數字分析模塊，它可以高精度地采樣和收集相關數據。流量的調節是通過變頻風機結合風量調節閥實現的，可以在量程范圍內快速準確地調節到所需流量，使得標定工作效率大大提高。

圖1 測試臺整體外觀

軟件方面，通過智能設計、自診斷功能及采用高質量的軟件，保證了其維修維護量在最小范圍。采用互聯網技術可遠程操作，輕松得到來自FMG的技術服務與支持。計算機操作界面提供通俗易懂的菜單結構及完整的系統流程畫面。強大的軟件功能使得在標定不同類型的流量計時可以實現一鍵啟動，自動完成整個標定過程，所有必要的數據均可在測試過程中顯示可見。密碼保護與用戶分級管理功能提供重要數據和設置的安全保護。

2 裝置組成和原理

測試臺主要硬件設備有標準表、壓力變送器和溫度變送器、閥門、風機、連接管路。整個裝置的系統流程如圖2所示。

圖2 裝置的系統流程圖

測試臺控制系統如圖3所示。控制系統采用BK9000總線耦合器，以KL2408、KL3222、KL3454、KL4004和KL9010為擴展模塊的數字信號總線系統為下位控制器，Testbench為上位機監控軟件。測試臺可以對多種氣體流量計進行標定，傳感器模塊可同時采集被檢表的4個脈沖信號，所有組件使用相同的參考點，這樣對各信號的采集處理更準確迅速。最大化節約空間，操作靈活簡便。

圖3 裝置控制系統圖

測試臺以空氣為氣源的負壓法標準裝置，被檢流量計和標準表以及風機由管路及閥門連接起來，標準表為三臺氣體腰輪流量計，根據設定的流量大小自動選擇一臺或多臺標準表組合。當設定流量穩定后，控制系統同時開始接收標準表和被檢流量計的信號，并測量標準表和被檢流量計處的溫度和壓力。到結束測試時，同時停止接收標準表和被檢表的信號。控制系統把標準表的體積量換算為被檢表的溫度和壓力狀況下的體積量，最終得出被檢流量計的計量性能。

3 不確定度分析

由測試臺的組成和原理可以看出，整套裝置的合成不確定度主要包括[2-3]：檢定標準表裝置不確定度、標準表的不確定度、標準表處溫度和壓力測量的不確定度、被檢流量計處溫度和壓力的不確定度、裝置計時器的不確定度。表1為整套裝置測量不確定度一覽表。

表1 測試臺整套裝置測量不確定度一覽表

3.1 檢定標準裝置的不確定度

檢定標準表用的流量標準裝置的擴展不確定度Urel= 0.16%，包含因子k= 2，則檢定標準裝置的標準不確定度ur(Vs) = 0.08%。

3.2 擬合曲線引起的不確定度

測試臺的標準表為氣體腰輪流量計，非定點使用，不使用儀表系數。對標準表進行二次曲線擬合，流量 - 誤差系數表達式為：eK=aq-2+bq-1+c+dq+eq2。對標準表測試n個點，第i個測試點的流量示值是qi，示值誤差是ei，vi=ei-eKi。擬合曲線引起的標準不確定度按式（1）計算得到ur(e) = 0.10%。

3.3 標準表儀表系數重復性的不確定度

標準表儀表系數定點測量的重復性的不確定度ur(K)取各流量點儀表系數的不確定度中最大值。測試臺三臺標準表經溯源，校準證書中各流量點重復性最大值為0.02%，則標準表儀表系數重復性的不確定度ur(K) = 0.02%。

3.4 標準表處溫度測量不確定度

測試臺標準表處溫度測量使用的溫度變送器最大允許誤差為±0.15 ℃，按均勻分布，氣體溫度為20 ℃，則標準表處溫度測量的標準不確定度為

3.5 被檢流量計處溫度測量不確定度

測試臺被檢流量計處溫度測量使用的溫度變送器最大允許誤差為±0.15 ℃，按均勻分布，氣體溫度為20 ℃，則標準表處溫度測量的標準不確定度為

3.6 標準表處壓力測量不確定度

測試臺標準表處壓力測量使用的壓力變送器最大允許誤差為±0.1%，按均勻分布，則標準表處壓力測量的標準不確定度為

3.7 被檢流量計處壓力測量不確定度

測試臺被檢流量計處壓力測量使用的壓力變送器最大允許誤差為±0.1%，按均勻分布，則被檢流量計處壓力測量的不確定度為

3.8 計時器不確定度

測試臺的計時器經溯源，30 s時間間隔的測試數據如表2所示。

表2 時間間隔測試數據

第i次差值按式（2）計算

平均差值按式（3）計算

A類標準不確定度：

B類標準不確定度：

計時器標準不確定度：

3.9 裝置合成標準不確定度

裝置的合成標準不確定度

4 測量結果的驗證[4-5]

測量結果的驗證采用比對法驗證，選取一臺FMG生產的氣體渦輪流量計作為比對的傳遞標準，測量范圍為80～1 600 m3/h，準確度等級為1級。參與比對實驗室的裝置分別為：公司的測試臺，測量范圍為0.4～1 600 m3/h，裝置標準不確定度Urel=0.32%（k= 2）；lab1的臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置，測量范圍為2～4 500 m3/h，裝置不確定度Urel= 0.16%（k= 2）；lab2的臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置，測量范圍為1～7 000 m3/h，裝置擴展不確定度Urel= 0.29%（k= 2）。lab1和lab2均為國家法定技術機構。傳遞標準流轉路徑依次為公司、lab1、lab2、公司。三個實驗室的測量結果見表4。

表4 測量結果匯總表

5 結語

雖然測試臺的占用空間變小了，但其各項性能依然能夠滿足測試需求。測試臺上所有主標準器、配套設備以及整套裝置都經過國家法定技術機構溯源，溯源結果達到測試臺的設計要求。通過分析測試臺整套裝置的不確定度和對測量結果的驗證，證明測試臺可用于膜式燃氣表、氣體腰輪流量計、氣體渦輪流量計和氣體超聲流量計的檢定或校準。公司在日常檢定或校準工作中通過與臨界流噴嘴法氣體流量標準裝置比較發現，測試臺的優勢在于流量穩定時間短，檢定或校準效率可提高30%以上，并且能耗也大大降低。