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計量學原則在渦輪流量計中的應用
发布时间:2021-3-15 08:24:46

摘要:將計量學理論與計量實踐相結合,歸結出了保證計量器具使用准確度,用于指導計量過程中計量學基本原則 。將該基本原則與流量計量的特點相結合,論證了流量計量中的等精度傳遞理論 。在此基礎上針對渦輪流量計现行检定方法及检定准确度的评定方法,提出了渦輪流量計使用过程中保证和提高其准确度的常用方法,对广大渦輪流量計用户具有普遍指导意义 。
0引言
  大量计量实践证明,对于一台经过了计量检定(或校准)性能良好的计量器具,如对其使用不当,也得不到人们期望的使用准确度 。那么对于一台已检定合格,已知检定准确度和仪表常数的渦輪流量計,该如何保证其使用准确度等于或者优于其检定准确度呢?本文力图通过对一个计量过程的解析,寻求保证使用准确度等同于检定准确度的一般途径-计量学基本原则 。将该原则与流量计量的特点和误差理论相联系,论证了用于提高其使用准确度的等精度传递理论,提出了渦輪流量計使用过程中保证和提高其使用准确度的条件和常用方法 。
1計量學基本原則
1.1計量器具在不同形態下的兩種計量准確度
  計量是保證單位統一和量值准確可靠的測量活動 。一個完整的計量過程應包括兩個必備環節:1)計量器具出廠後的計量檢定;2)用檢定合格的計量器具對被測量進行的測量 。將上述兩個環節與誤差相聯系後便可得到計量器具在不同形態下兩種概念不同的計量准確度:1)計量器具在檢定條件下確認的准確度(檢定准確度);2)計量器具在實際使用條件下的准確度(使用准確度) 。無疑通常情況下,計量器具的使用准確度低于檢定准確度,那.麽在什麽技術條件下,才能保證使用准確度等于其檢定准確度呢?要對此做出判斷,就需要建立起一定原則,這些原則就叫做計量學基本原則 。
1.2計量學基本原則
  如何保證計量器具的使用准確度,是計量工作者的共同課題 。長期以來在計量技術的不同領域人們一直在進行著這項研究 。並在計量領域的不同專業,産生了多項成果 。例如:幾何量計量中的阿貝原則、最小變形原則、最短測量鏈原則和封閉原則,減少測量過程中恒定系統誤差的異號測量法微差測量法,力學與電學計量中的替代測量法、交換測量法、對稱測量法以及應用更爲廣闊的組合測量法等 。其實質都是計量學基本原則的特定內容 。通過對上述內容進行歸納,可抽象出用于指導計量過程的基本原則:
1)被測量與被測量的標准二者的特性(是指幾何特性與物理特性)應在計量過程中盡量保持相同;
2)計量器具的檢定過程與使用過程應盡可能保持相同 。
  遵循第1)原則可使任何被測量的標准和被測受環境影響盡可能相一致,從而減小二者之間差異帶來的附加誤差 。第2)原則主要用來減小由于二個比較過程不一致帶來的附加誤差 。在計量過程中滿足上述原則就可以最大限度地使計量器具的使用准確度接近其檢定准確度 。
1.3等精度傳遞理論
1.3.1計量學基本原則在流量计量中的特定原则
  由于流量計量的對象是各種流體,因此流體的流動特性和介質特性是流量計量的固有特性 。由計量學基本原則結合流量計量的特點,便可得出流量計量過程的計量學基本原則(特定原則):
1)流量計的檢定與使用時流體的流動特性應盡可能相同;.
2)流量計的檢定與使用時流體的介質特性(指流體的密度、粘度等)應盡可能-致;
3)流量計的檢定與使用時,操作過程及環境影響應盡可能保持相同;
4)流量計的檢定與使用的流量範圍或流量點應盡可能保持一-致 。
  因爲流體的流動特性和介質特性不僅影響流量計基本方程中各個特性參數以及流量方程的整體成立條件,而且流量計的工作特性也與之密切相關 。因此第1)、2)原則屬流量計量的特別原則,而第3)、4)原則是計量學基本原則的內容 。
1.3.2等精度傳遞理論
  等精度傳遞理論的意義是指,只要遵循計量學基本原則在流量計量中的特定原則去指導流量計量過程,那麽流量基准或標准所複現的流量單位量值將等精度傳遞給工作流量計,而大大減少量值傳遞中精度損失 。下面舉例論證:
在JJG1037-2008《渦輪流量計》检定规程中规定,其检定准确度由下式确定:

  式中:Δ1爲流量標准裝置的准確度;Δ2爲流量計的重複性(檢定點中儀表系數相對誤差的最大值);Δ2;爲流量計儀表常數的非線性誤差 。
  如滿足計量學基本原則在流量計量中的特定原則之要求,並把流量計的檢定流量點作爲使用時的流量點,則在滿足上述條件下,式(1)中的△3;便可忽略,則流量准確度爲:

  当△2<<△时,则δ≈Δ1,即当被检流量计的重复性(随机误差)远小于流量标准装置的准确度时,被检流量计的准确度便近似等于流量标准装置的准确度 。我们知道在流量计量器具中,容积式流量计(例如椭圆齿轮流量计、活塞式流量计、腰轮流量计等)和渦輪流量計在定点使用时,其重复性是非常好的,一般可达到0.05%,甚至更高 。另外由误差理论中随机误差的特性我们还知道,当测量次数无限大时,其随机误差将趋于零 。因此依据流量计和随机误差特性,完全可达到如上假设条件,所以等精度传递理论在实际中是可以实现的 。
  綜上所述,可得出如下結論:用計量學基本原.則與流量計量的特點相結合便可得到指導流量計量的特定原則 。用該特定原則指導流量計量過程,便可實現流量量值的等精度傳遞,從而大大減小流量量值傳遞中的精度損失,提高流量計的使用准確度 。
2计量学基本原则在渦輪流量計使用过程中的应用
2.1渦輪流量計现行检定方法及检定准确度评定方法
  渦輪流量計(以液体普通型为例)的检定方法,按所采用的标准器的不同可分为标准容积法、标准称重法、标准体积管法和标准流量计法 。按被检流量计的状态又可分为离线检定和在线检定 。但无论哪--种检定方法,其实质就是在具有准确度要求的流量标准装置上确定出被检流量计在规定的流量范围内各个检定流量点下的仪表系数 。检定流量点包括上下限不少于5个,每个检定点不少于3次 。依据上述检定数据,其检定准确度评定方法如下:1)计量每个流量点下3次检定对应的仪表系数及其平均值;2)由各个检定点下的仪表系数平均值得到适用于全量程的仪表常数及该常数的非线性误差△3;3)依据每个检定流量点下3次检定得到的仪表系数的分散性评定出其重复性△2;4)按式(1)计算被检渦輪流量計的检定准确度 。
由上述檢定方法及檢定准確度的評定方法可看出:
1)流量計的儀表系數由流量標准裝置直接傳遞得到,因此儀表系數的准確度取決于流量標准裝置的准確度及3次重複測量的分散性(隨機誤差大小);
2)所得的儀表常數實際上是指在全量程範圍.的通用儀表系數,其實質是對流量計誤差特性曲線的簡單化處理 。
2.2保证和提高渦輪流量計使用准确度的常用方法
  针对渦輪流量計的检定方法及检定准确度的评定方法,运用计量学基本原则在流量计量的特定原则,便可以归纳出对于经过了计量检定,已确定了仪表常数和检定准确度的渦輪流量計,保证和提高其使用准确度的常用方法:
1)只要滿足計量學基本原則在流量計計量中特定原則的要求,即流量計的使用條件與檢定條件相一致(包括流體的流動特性、介質特性、流量範圍及操作過程),並且在流量計的檢定範圍內使用其儀表常數,便會使其使用准確度等于檢定准確度 。
2)若流量計的使用條件滿足上述相同性原則,並且流量計在檢定流量範圍內能夠定點使用時(使用其檢定流量下儀表系數的平均值),則流量計的使用准確度將會大大優于其檢定准確度 。
3)若流量計在檢定流量範圍內實際使用時,無法滿足定點使用條件,則可依據檢定中得到的各個檢定流量點下的儀表系數平均值與使用流量Q的對應關系 。借助最小二乘法原理對儀表常數進行線性化處理,用直線擬合得到的K'=aQ+b來取代儀表常數K,也會在--定程度上提高使用准確度 。
2.3應用舉例
  在准确度为0.1级静态容积法水流量标准装置上对一台LW-15渦輪流量計进行了计量检定,检定数据如表1所示 。

檢定准確度:δ=[(0.12+0.112+0.452)1/2]%=0.47%
  在已知流量計儀表常數和檢定准確度條件下,運用計量學基本原則在流量計量中的特定原則指導流量計的使用過程便會産生如下結果:
1)若流量計的使用條件滿足特定原則的要求,使用給定的儀表常數K0=560.5時流量計的使用准確度等同于其檢定准確度(0.47%),反之使用准確度低于檢定准確度 。
2)在滿足特定原則條件下,若流量計能夠定點使用(使用該點下的儀表系數平均值來替代儀表常數),則儀表常數的非線性誤差便可忽略 。流量計的使用准確度爲δ=[(0.12+0.112)1/2]%=0.15% 。
  若使用條件滿足特定原則之要求,但流量範圍無法變動時,根據實際流量采用特性方程K'=2.1769Q+556.06替代儀表常數K0=560.5可得到K'的非線性誤差△3=0.12%,則流量計的使用准確度爲δ=[(0.12+0.112+0.122)1/2]%=0.20% 。
3結論
1)渦輪流量計的检定准确度是在检定条件下确定的,只有使用条件满足计量学基本原则在流量计量中特定原则之要求时使用仪表常数才能保证使用准确度等于检定准确度;
2)提高使用准確度的技術條件是在滿足計量學相同性原則基礎上流量計的定點使用和對儀表常數的線性化處理;
3)上述方法对精密渦輪流量計和气体渦輪流量計具有同樣效果 。

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