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靜態(tài)容積法質(zhì)量法流量標準裝置的標定及準確度計算方法
靜態(tài)容積法質(zhì)量法流量標準裝置的標定及準確度計算方法
一、裝置的技術(shù)要求
液體流量標準裝置由穩壓水源、管路、試驗段、流量調節閥、工作量器、換向器、計時(shí)器和裝置的控制臺組成。
一般來(lái)說(shuō)，穩壓水源的壓力波動(dòng)要小，工作介質(zhì)應清潔；在試驗管路中局部阻力件要盡量的少，管路通往工作量器出口的橫截面積不能大于試驗段管路的橫截面積，管路內不能產(chǎn)生負壓；試驗段上游端應有足夠長(cháng)的直管段，調節閥應安裝在試驗段的下游，調節閥要穩定(即開(kāi)度在試驗過(guò)程中不改變)。試驗段要滿(mǎn)足被檢流量計的要求�，F對節流裝置和渦輪流量傳感器的規定如下：
1.流量測量節流裝置
流量測量節流裝置的直管段長(cháng)度要求是比較嚴格的，由于流體的流動(dòng)在節流裝置前1D處必須達到充分發(fā)展的紊流速度分布，因此在節流裝置前要有一段足夠長(cháng)的直管段，這段直管段和節流件前的局部阻力件形式以及節流件的直徑比β有關(guān)，國際標準ISO51672003(E)中規定的直管段長(cháng)度對孔板上下游所要求的最小直管段長(cháng)度如表4-2所示。對噴嘴和文丘里噴嘴所要求的直管段長(cháng)度如表4-1所示。
2.渦輪流量傳感器前直管段長(cháng)度
在渦輪流量傳感器的規程中，盲管段長(cháng)度采用下式計算：
式中：DN——渦輪流量傳感器公稱(chēng)通徑；
Kn——渦旋的速度比；
f——管道內的摩擦系數，在紊流狀態(tài)下，f=0.0175；
L——直管段長(cháng)度。
Kn可由傳感器前的管路情況而定，可分為五種情況：
(1)渦輪流量傳感器前管路為同心收縮，Kn=0.75；
(2)渦輪流量傳感器前管路為彎頭，Kn=1.00；
(3)渦輪流量傳感器前管路為雙彎頭，Kn=1.25；
(4)渦輪流量傳感器前閥門(mén)全開(kāi)，Kn=1.00；
(S)渦輪流量傳感器前閥門(mén)半開(kāi)，Kn=2.5。
工作量器的使用部分要有觀(guān)測水位的玻璃管或裝有讀數的游標尺或裝有靈敏的觸點(diǎn)。游標尺的寬度不大于0.2mm，玻璃管的內徑不小于15mm。
換向器的結構應是對稱(chēng)的，工作時(shí)不能濺水。換向器的行程時(shí)間差應根據裝置的準確度要求而定，一般對于電動(dòng)式不大于50ms，對氣動(dòng)式不大于lOOms。即其行程時(shí)間差愈小愈好，目前很多裝置都把觸點(diǎn)安裝在換向器的幾何中心位置，這樣可減小時(shí)間差，提高換向器的準確度。
計時(shí)器應不受其他信號的干擾。
裝有計時(shí)器、計數器的流量控制臺，不應對裝置產(chǎn)生附加的誤差。
二、裝置的檢定條件
1.標準設備和儀器
(1)檢定工作量器用的標準量器，其不確定度應優(yōu)于工作量器的不確定度。
(2)檢定衡器(如電子秤或機械稱(chēng))用標準砝碼，其不確定度應優(yōu)于衡器不確定度。
(3)檢定計時(shí)器用標準計時(shí)器，其不確定度應優(yōu)于計時(shí)器的不確定度。
2.輔助設備和儀器
(1)溫度計：量程為O℃~5O℃，分度值為O.1℃。
(2)秒表：分度值為O.Ols。
(3)換向器檢定、測量時(shí)間內的流量穩定性檢定和啟停效應檢定用的流量計，穩定性好、響應速度快，并應有脈沖信號輸出。
3.檢定介質(zhì)
檢定介質(zhì)應是單相清潔水或實(shí)際使用的液體。
三、裝置的標定
1.工作量器的標定
(1)檢定前的準備工作
工作量器在標定前，要儲有足夠量的和室內溫度一致的清潔水，并保持穩定，以保證工作量器在一次檢定過(guò)程中水溫變化不超過(guò)1℃。
(2)工作量器的密封性檢驗
將工作量器充滿(mǎn)水后停留一小時(shí)，在此期間不能有滲漏現象。
(3)工作量器零位的確定
工作量器在標定時(shí)應規定放水時(shí)間，以保證零位的穩定。
(4)工作量器的使用部分的檢定點(diǎn)不能少于三個(gè)。
(5)按照標準量器的使用方法，將水放入工作量器中，直到水位升到工作量器的下限，調正標尺上的游標(或觸點(diǎn)式采用攝像與計算機圖形識別技術(shù)采集容器液位。)，使標線(xiàn)與玻璃管內的水柱彎月面下沿相切，在標尺上讀取該點(diǎn)的水位高度。
(6)再選用適當量限的標準量器繼續檢下去，直到工作量器中的水位升到上限，并將每個(gè)檢定點(diǎn)的水位高度記下。
(7)由標準量器向工作量器內注水之前，測量標準量器中的水溫，工作量器內的水溫至少要在水位升到使用下限和上限時(shí)測量?jì)纱巍?~7的檢定過(guò)程叫做一次檢定。
(8)按(5)~（7)繼續做第二次、第三次直到第n(n≥10)次檢定。某次檢定過(guò)程中若水溫變化超過(guò)1℃，則該次檢定數據應舍去，把其他有效數據記下。
(9)如果標準量器，工作量器內的液體溫度和室溫不同時(shí)，并在(20±)℃以外時(shí)，按下式將工作量器的容積修正到溫度為20℃時(shí)的容積：
式中：α1——工作量器標尺材料的線(xiàn)膨脹系數；
α2——工作量器材料的線(xiàn)膨脹系數；
α3——標準量器材料的線(xiàn)膨脹系數；
βW——水的體膨脹系數。
如果標準量器、工作量器內的液體溫度和室溫相同時(shí)，并在(20±5)℃以外時(shí)，按下式將工作量器的容積修正到20℃時(shí)的容積：
(10)按標定的數據計算各檢定點(diǎn)的不確定度：
a.平均高度值
b.殘差
c.標準偏差
d.標定點(diǎn)單次A類(lèi)相對標準不確定度：
式中：K——檢定點(diǎn)處工作量器的有效橫截面積。
K的計算方法如下：設Lj、Vj分別表示第j點(diǎn)的平均高度和容積值；Lj+1、Vj+1及Lj-1、Vj-1分別表示檢定點(diǎn)相鄰上下兩檢定點(diǎn)的平均高度和容積值，則第j檢定點(diǎn)的K值為
e.由計算出的UrA(V)中比較出檢定點(diǎn)中單次測量A類(lèi)的最大的相對不確定度Umax(V)。
工作量器總的A類(lèi)相對不確定度Ucr(V)，由其標定的最大A類(lèi)相對不確定度和標定工作量器用的標準量器的B類(lèi)相對不確定度UrB(V)組成，即
式中：UrB(V)——標準量器的不確定度。
標定工作結束后，標尺上要打上固定的印記。
例〕設標定水流量標準裝置2000L工作量器，標定該縮頸量器采用二個(gè)標準量器，即500L和50L，其線(xiàn)膨脹系數分別為
工作量器的材料和其標尺的材料相同
其標定溫度
試確定2000L工作量器的相對標準不確定度。
解如標定序號為1，標定點(diǎn)為1550L。
①先將標定溫度下的容積換算成標準情況下的容積，對500L標準容器：
對50升標準容器：
標準偏差：
⑤由tα分布系數表查得
⑥標定點(diǎn)單次測量A類(lèi)相對標準不確定度：
⑦工作量器的擴展不確定度：
其他標定點(diǎn)數據處理列于表8-1。
2.衡器檢定
(1)當標準砝碼的總質(zhì)量小于衡器使用量限時(shí)，允許采用替代法。
(2)液體重量和容器重量之和稱(chēng)為皮重。衡器的使用上限和使用下限分別為最大皮重和最小皮重。
(3)衡器檢定點(diǎn)的選擇。在使用量限范圍內至少取10個(gè)均勻分布J點(diǎn)，用標準砝碼逐點(diǎn)加載到j(luò )(j=1，2，…，m，m≥10)點(diǎn)，加載m之后完成第一次檢定。分別記錄各檢定點(diǎn)加載的砝碼質(zhì)量mj，衡器示值Rmji；再從j=m逐點(diǎn)卸載到j(luò )=1，完成第二次檢定。分別記錄各檢定點(diǎn)卸載標準砝碼質(zhì)量mj，衡器示值Rmj2。
(4)重復第3條的步驟(或程序)進(jìn)行n(n≥10)次檢定，得到mj，Rji（i=1，2，…，n）
(5)計算衡器檢定點(diǎn)的不確定度。
a.負載（mj+Ro)時(shí)，第j點(diǎn)第i次測量的差值：
式中：Ro——空容器n次測量衡器的示值的平均值。
b.第j點(diǎn)的平均值
c.衡器第j點(diǎn)每次測量的A類(lèi)相對不確定度
d.衡器第j點(diǎn)B類(lèi)相對不確定度
e.A類(lèi)相對不確定度
ura(m)=[ura(m)]max(8-10)
f.B類(lèi)相對不確定度
urB(m)=[urBi(m)]max(8-11)
(6)靜態(tài)質(zhì)量法水裝置衡器(電子秤)檢定的計算實(shí)例
電子秤的最大稱(chēng)量為3000kg，稱(chēng)量范圍為lOOO~3000kg；檢定數據及處理結果如表8-2。
3.換向器行程時(shí)間差
(1)流量計法
換向器的行程差是用試驗的方法確定的，然后根據行程差，可以計算出其A類(lèi)和B類(lèi)相對標準不確定度。
換向器時(shí)間差測量方法：
①在被檢換向器所在的臺位試驗段上，被檢流量計位置安裝一臺與試驗段公稱(chēng)直徑和流量量程比相同的帶有電信號輸出的渦輪流量傳感器(或電磁流量計等)。
②用流量調節閥，將裝置的檢定臺位流量調到最大值。
③穩定10min后，按正常流量的測量方法，做一次流量測量，并記錄注入工作量器中水的體積Vll，測量時(shí)間tll和渦輪流量傳感器總的脈沖數Nll。
④在流量基本不變的情況下，操縱換向器(為保持氣壓穩定，可將換向時(shí)間間隔適當延長(cháng))往復換向m(m≥10)次。使一系列累積測量的總時(shí)間與正常流量測量時(shí)間大致相同。再記錄注入工作量器中水累積的體積V2i，累積測量時(shí)間t2i和傳感器累積總脈沖數N2i。
⑤按第3、4條的方法，重復作n(n≥10)次試驗，得到相應的Vli，V2i，…;t1i，t2i，…;N1i，N2i，…(i=1，2，…，n)
⑥計算換向器的不確定度
a.按公式(7-69)計算換向器第i次檢定的時(shí)間差Δt；
b.計算換向器A類(lèi)和B類(lèi)相對標準不確定度
時(shí)間差的平均值：
換向器B類(lèi)相對標準不確定度：
殘差：
標準偏差：
(8-12)
換向器A類(lèi)相對標準不確定度：
式中：
為在最大流量時(shí)換向器時(shí)間差的A類(lèi)相對標準不確定度。
⑦再將檢定臺位的流量調到最小流量，按第③~⑥條的檢定程序和計算方法，確定最小流量時(shí)換向器的B類(lèi)和A類(lèi)相對標準不確定度。
?根據最大和最小流量檢定結果，選取其中最大的B類(lèi)相對標準不確定度作為換向器的B類(lèi)相對標準不確定度選取最大的A類(lèi)相對標準不確定度作為換向器的A類(lèi)相對標準不確定度。
〔例〕檢定裝置中DN100mm管徑臺位的氣動(dòng)換向器，最大流量qvmax=204m3/h，最小流量qvmin=24m3/h，試驗管段為100mm；用渦輪流量傳感器定點(diǎn)使用，其準確度為±(0.05~0.1)%，其測量結果如表8-3、表8-4所示；試計算換向器的B類(lèi)相對標準不確定度和A類(lèi)相對標準不確定度。
解在最大流量qvmax=204m3/h，測量換向器的時(shí)間差Δt；如表8-3。
時(shí)間差的平均值：
在最小流量qvmax=24m3/h下測量換向器的時(shí)間差平均值
所以，換向器的B類(lèi)和A類(lèi)相對標準不確定度分別為0.0026%和0.012%。
(2)行程差法
①將流量調到換向器所在臺位的檢定流量(如最大流量點(diǎn))，穩定一段時(shí)間。
②操作換向器的控制開(kāi)關(guān)，使換向器換入、換出測量容器，換向器運轉后如正常，再操作換向器，使換向器換向n(n≥10)次，分別將換向器的換入和換出時(shí)間記作tli和t2i。
③計算換向器的A類(lèi)和B類(lèi)相對標準不確定度
按公式(7-70)計算換向器換入的時(shí)間tli的平均值
；按公式(7-71)計算換向器換出時(shí)間t2i的平均值
。
按公式(7-72)計算換入時(shí)間tli的A類(lèi)相對不確定度UrA(tl)；按公式(7-73)計算，換出時(shí)間t2i的A類(lèi)相對不確定度UrA(t2)。
換入和換出時(shí)間A類(lèi)不確定度的合成：
按公式(7-24)計算換向器B類(lèi)相對標準不確定度：
④用行程差法檢定換向器的實(shí)例
換向器檢定記錄及數據處理見(jiàn)表8-5。
用行程差法檢定換向器的總的不確定度
(3)流量計法和行程差法檢定結果的比較見(jiàn)表8-6。
同一個(gè)臺位，同一個(gè)換向器，用不同方法檢定，其結果不同，有時(shí)還差一個(gè)數量級。問(wèn)要取何值，按法定的標準或規程應取方法中最大的不確定度為好。這就要求制訂標準或規程的專(zhuān)家慎重采取方法，或多作試驗，采用一種最科學(xué)、最可靠的方法。
4.計時(shí)器的檢定
根據JJG180-1978電子計數器石英晶體振蕩器試行檢定規程，檢定計時(shí)器有兩種誤差，一是晶體振蕩頻率的穩定度Ef，一是計時(shí)器計時(shí)的A類(lèi)不確定度UrA(t)
(1)計時(shí)器晶振頻率穩定度的檢定
①將計時(shí)器晶振輸出接到標準計時(shí)器的計數輸入端口，接通兩計時(shí)器的電源。
②預熱一小時(shí)后，每隔一小時(shí)讀一次數頻率值fi，共讀8次。
③計算晶振頻率穩定度：
式中：
fimax——fi中最大值，Hz；
fimin——fi中最小值，Hz；
f0——標稱(chēng)頻率值，Hz。
Ef應不低于靜態(tài)容積法(或質(zhì)量法)液體流量標準裝置給出流量值擴展不確定度的1/10。
(2)計時(shí)器準確度的檢定
①計時(shí)器按臺位分別進(jìn)行檢定。
②按圖8-1所示，連接計時(shí)器與標準計時(shí)器，接通兩者的電源，兩計時(shí)器的啟、停應保持同步。
③以本臺位使用的最短測量時(shí)間(tmin)為時(shí)間間隔，啟停計時(shí)器，讀取計時(shí)器值(ti）和標準計時(shí)器值(toi）完成一次檢定。
④重復③款，進(jìn)行n(n≥6）次檢定，得出ti，toi(i=1，2，…，m）。
⑤計算計時(shí)器檢測時(shí)間的A類(lèi)相對標準不確定度UrA(t)
計算差值：
平均值：
計時(shí)器B類(lèi)不確定度：
計時(shí)器檢測時(shí)間的A類(lèi)相對標準不確定度：
標準計時(shí)器的B類(lèi)不確定度，按矩形分布，則
式中：UrBs(t)——標準計時(shí)器擴展不確定度。
⑥計算計時(shí)器合成不確定度
〔例〕用E312型電子計數式頻率計作為振源，用Dataprecision5845計時(shí)器作標準，其擴展不確定度UrBs(t)=1×lO-6檢定XPR-2型時(shí)頻儀，測試結果如表8-7，試確定B類(lèi)和A類(lèi)不確定度和XPR-2型時(shí)頻儀準確度。
5.裝置穩定度測量
實(shí)踐證明，盡管采用了水塔或專(zhuān)用的穩壓容器，但總還可以發(fā)現還有一部分未消除的脈動(dòng)，使流量不穩定，因而應對其所引起流量不穩定度作出評定。
(1)影響穩定度的因素
裝置的穩定度是綜合評定其好壞的主要指標之一，影響穩定度的因素有：壓力、水泵、管道、閥門(mén)和自動(dòng)調節系統以及數據采集和處理等。
①水塔(或容積穩壓器)液位波動(dòng)，即在試驗的過(guò)程中，有效壓頭是否保持恒定或者波動(dòng)多大的范圍才能達到所要求的效果，滿(mǎn)足準確度的要求。根據流量方程式：
若在一定的溫度下
則上式變?yōu)?/p>
若α，A0，g對確定的裝置是常數，則
②以圖8-2用水塔法穩壓的流量標準裝置為例，分析其影響因素。
完整的流量公式：設水塔水面為基準面I-I，在試驗段出口處選取一點(diǎn)作第二截面，然后列出I-I，Ⅱ-Ⅱ的伯努力方程式：
式中：
Z2——有效水頭高度，即Z2=h；
ρ2——試驗段出口處表壓力；
ρ0——大氣壓力。
由于
上式變?yōu)?/p>
設：
則
對于一定的試驗裝置，d，g是常數，如h'=常數，則流量的穩定度完全由h'和Sx來(lái)決定，至于局部和沿程損失系數之和Sx對穩定度的影響須用試驗的方法測定出來(lái)，正如流量系數α不能用計算的方法確定一樣。至于其他影響穩定度的因素，還有如介質(zhì)的純度、周?chē)碾姶鸥蓴_、震動(dòng)等，這些都可以設法消除�，F在，穩定度不作為裝置的考核指標，在檢測結果中有時(shí)候裝置的不確定度高而穩定性特差。如某公司質(zhì)量法裝置的不確定度為0.05%，而穩定性；用二種方法測試結果累積時(shí)間內穩定性0.03%，各累積時(shí)間之間穩定性0.2%。
(2)穩定度的檢定
①如果裝置分若干個(gè)臺位，可按臺位分別做穩定度檢定。
②對裝置(臺位)進(jìn)行最大流量穩定度檢定時(shí)，要使用該裝置最大工作量器的最大量限；
對最小流量穩定度檢定時(shí)，使用最小工作量器的最小量限。
③開(kāi)動(dòng)裝置，用流量調節閥把臺位流量調到最大，并使裝置循環(huán)10min，裝置穩定后連續測量以n（n≥10）次流量。
④把流量調到最小值；按③所述做小流量檢定。
⑤穩定度的計算；
平均流量：
殘差：
標準偏差：
流量穩定度：
根據最大和最小流量測定結果，選取其中最大的流量穩定度(Eqv)max作為流量穩定度。
〔例〕檢定某廠(chǎng)的水流量標準裝置1#臺位，其管徑DN100mm，作最大流量時(shí)穩定度試驗，使用工作量器2000L，最大流量qvmax=250m3/h，試驗結果如表(8-8)，試確定最大流量的穩定度。
四、流量標準裝置的不確定度
1.靜態(tài)容積法水流量標準裝置的不確定度
式中：
——工作量器標定的擴展不確定度；
——標定工作量器的標準量器的不確定度；
——計時(shí)器A類(lèi)相對標準不確定度；
——計時(shí)器B類(lèi)相對標準不確定度；
——換向器用行程差法檢定時(shí)換入時(shí)間的A類(lèi)相對不確定度；
——換向器用行程差法檢定時(shí)換出時(shí)間的A類(lèi)相對不確定度；
——換向器用行程差法檢定時(shí)B類(lèi)相對不確定度。
2.靜態(tài)質(zhì)量法水流量標準裝置的不確定度
式中：
UrA(m)——衡器(或電子秤)標定的A類(lèi)相對不確定度；
UrB(m)——衡器(或電子秤)標定的B類(lèi)相對不確定度；
其他符號與式(8-20)同。
五、靜態(tài)法水流量標準裝置標定實(shí)例
1.靜態(tài)容積法標定實(shí)例
(1)裝置測量擴展相對標準不確定度見(jiàn)表8-9。
(2)計算靜態(tài)容積法裝置的擴展不確定度由公式(8-20)計算：
2.靜態(tài)質(zhì)量法標定實(shí)例
(1)裝置測量的不確定度，見(jiàn)表8-10
(2)計算靜態(tài)質(zhì)量法裝置的相對標準不確定度用公式(8-21)計算：
3.容積法裝置的穩定度
詳細介紹：
靜態(tài)容積法質(zhì)量法流量標準裝置的標定及準確度計算方法
動(dòng)態(tài)法液體流量標準裝置檢定及其不確定度計算方法
標準體積管的標定和不確定度評定
鐘罩式氣體流量標準裝置標定和不確定度計算方法
ｐ.V.T.t法氣體流量標準裝置的檢定
三相流裝置的標定
標準流量計法流量標準裝置的標定方法
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●動(dòng)態(tài)法液體流量標準裝置檢定及其不確定度計算方法
●標準體積管的標定和不確定度評定
●鐘罩式氣體流量標準裝置標定和不確定度計算方法
●ｐ.V.T.t法氣體流量標準裝置的檢定
●三相流裝置的標定
●標準流量計法流量標準裝置的標定方法
