摘要: 文章主要介紹了一種基于雙計時法的標準表法水流量標準裝置，該裝置不僅可以用于檢測需要豎直試驗管段的流量計 ( 如液體浮子流量計) 、還可以用于檢測超低頻脈沖輸出的流量計 ( 如液體容積式流量計) 。此 外，裝置配備高精度的電子天平用于標準表的溯源，免去大量拆裝工作。
1 概述
液體浮子流量計及其它類型的液體流量計，廣泛應用于流量指示和工藝控制中，其精度具有一定的要求。液體流量標準裝置作為檢測液體流量計精度的設備，主要有質量法、容積法和標準表法三種方法。其中標準表法對一些精度要求不高 ( 0. 5 級及以下) 的液體流量計和液體浮子流量計，具有投入低、測量范 圍 廣、效 率 高 的 優(yōu) 點，而被廣泛采用。
標準表法流量標準裝置 ( 以下簡稱 “裝置”)是以標準流量計 ( 可以是速度式流量計、容積式流量計、臨界流流量計、質量流量計和熱能表等)為標準器，使流體在相同時間間隔內連續(xù)通過標準流量計和被檢流量計，比較兩者的輸出流量值，從而確定被檢流量計的計量性能。標準裝置主要由流體源、試驗管路、標準流量計、計時器和控制系統(tǒng)等五部分組成［1］。
標準表法水流量標準裝置經過多年的發(fā)展，已比較成熟，但是也有如下不足。 ( 1) 試驗管段絕大多數都是水平管段，無法檢測類似于玻璃轉子流量計等需要豎直試驗管段的流量計。 ( 2) 標準流量計需要從裝置拆下來再安裝到更高精度的質量法/容積法水流量標準裝置上去溯源，拆裝麻煩、工作量大。 ( 3) 對于檢測超低頻脈沖輸出的流量計 ( 特別是容積式流量計) ，檢測時間長，檢測效率低。
2 裝置的研制
蘇州市計量測試院于 2015 年建成一套包含質量法、容積法和標準表法三種方法的水流量標準裝置，流量范圍: 1 ～ 1 000 m3 /h; 測量口徑: DN 15 ～ 250 mm。相關參數及用途見表 1。
近年來，隨著業(yè)務的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的水流量標準裝置已經無法滿足日常工作的需求，急需再增加一套。通過對近幾年客戶送檢較多的流量計做統(tǒng)計，主要為口徑從 DN 15 ～ 100 mm、準確度等級為1. 0 級及以下的液體渦輪流量計和電磁流量計，再加之液體浮子流量計的送檢量不斷增大，因此建立一套標準表法的水流量標準裝置，比較符合現(xiàn)在的情況。該套裝置應符合以下要求。
( 1) 具備豎直試驗管段，用于檢測液體浮子流量計。
( 2) 為避免標準表由于周期檢校需要拆裝帶來的工作量和時間上的耽誤，裝置后端增加電子天平，用于標準表的溯源和期間核查。
( 3) 在被檢表和標準表端分別設置計時器，使用雙 計 時 法，用于檢校超低頻脈沖輸出的流量計。( 4) 考慮到需檢測小口徑 DN2 ～ DN10 的液體浮子流量計，裝置測量口徑為 DN2 ～ 100 mm、測量范圍為 5 ～ 100 000 L /h，裝置擴展不確定度 Urel應不大于 0. 25% ( k = 2) 。
根據以上要求，對該標準表法水流量標準裝置進行了初步設計，如圖 1 所示。
裝置控制由 PLC、水泵和變頻器共同實現(xiàn)。同 時，PLC 還承擔閥門開關的控制和傳感器信號的采集。電控系統(tǒng)軟件部分分為上位機檢定系統(tǒng)和下位機控制系統(tǒng)。上位機由采用圖形化編輯語言的 LabVIEW 軟件設計開發(fā)，其主要完成參數設定、數據處理、過程監(jiān)控等功能。下位機由可編程邏輯控制器 PLC 實現(xiàn)，主要功能是電機控制、傳感器信號采集、編碼器輸出脈沖采集、計時和閥門控制等。 3 雙計時檢測方法簡介
3. 1 雙計時法原理
檢定流量下的示值誤差［2 － 4］
同一臺流量計，一般在同yiliu量點下，示值誤差認為相同，則:
由式 ( 1) 和式 ( 2) 可得:
式中: Vc 為流量計脈沖當量體積; N 為流量計脈沖數; tn 為 N 對應的測量時間; Qsc為 tn 時間內對應的標準體積。
由式 ( 3) 可知，流量計脈沖當量體積與兩標準體積有關，或與兩測量時間有關，稱為雙計時測量法。
3. 2 檢測舉例
檢測一臺準確度等級 1. 0 級、流量范圍為 1 ～ 10 m3 /h、低頻脈沖輸出的渦輪流量計，脈沖當量體積 VC = 0. 126 8 L /P。根據渦輪流量計檢定規(guī)程的要求［5］，“一次檢定中流量計輸出的脈沖數的測量結果由分辨率帶來的相對不確定度不大于被檢流量計#大允許誤差覺對值的 1 /10”，當檢測#小流量點 1 m3 /h 時，脈沖數應不小于 1 000 個，則每次檢測所需的時間:
當每次檢測所采 集 的 脈 沖 數 分 別 為 1 000、 500、300 和 132 時，所需時間和示值誤差如表 2所示。
檢測結果表明，在#小流量點下，使用雙計時法檢測低頻脈沖輸出的流量計，在保證裝置#短測量時間 ( 60 s，共采集約 132 個脈沖) 的前提下，示值誤差試驗結果與滿足規(guī)程條件 ( 456 s，共需采集 1 000 個脈沖) 相比，仍處可接受的范圍( 示值誤差之差#大為 0. 25% ) ，而檢測效率提高了約 7 倍。
4 裝置的不確定度評定
根據 JJG 643—2003 《標準表法流量標準裝置》，裝置的不確定度來源主要有標準表、檢定標準表的流量標準裝置以及計時器。 4. 1 標準流量計的測量 A 類不確定度 u1本裝置由 6 臺標準電磁流量計組成，相關信息及參數如表 3 所示。
據表 3 參數得:
4. 2 檢定標準表的流量標準裝置的 A 類標準不確定度 u2
檢定標準表的質量法水流量標準裝置其擴展不確定度 U = 0. 05% ( k = 2) ，則:
4. 3 計時器的標準不確定度
計時器 A 類標準不確定度公式為
計時器 B 類標準不確定度公式為:
裝置的#短測量時間 tmin = 60 s，則:
被檢 表 端 計 時 器: u1A = 0. 000 5% ，u1B = 0. 000 6% ;
標 準 表 端 計 時 器: u2A = 0. 0004% ，u2B = 0. 000 6% 。
4. 4 裝置合成標準不確定度 uc
由于標準不確定度分量互不相關，則:
4. 5 裝置擴展不確定度 Urel
5 結語
基于雙計時法的標準表法水流量標準裝置是建立在連續(xù)性方程的理論基礎之上，是解決被檢表和標準裝置不同步的一種新方案，特別適用于超低頻脈沖輸出的流量計檢定。在不顯著加大裝置擴展不確定度的前提下，縮短檢定時間，提高檢定效率。本裝置還配備了豎直試驗管段，可開展液體浮子流量計的檢校工作。此外，在標準表后端增加電子天平，用于標準表的溯源和期間核查，避免經常拆裝帶來的麻煩，降低標準表損壞的可能性。
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