具有蒸汽流量計(jì)校準(zhǔn)功能氣體流量裝置測(cè)量不確定度評(píng)定

　　摘要：以臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為代表，扼要闡述了具有蒸汽流量計(jì)校準(zhǔn)功能的標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量不確定度評(píng)定方法和步驟。
　　
　　1、氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置介紹
　　
　　標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置以標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)器，使流體連續(xù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)，比較兩者的輸出瞬時(shí)流量值，或比較一段時(shí)間內(nèi)的累積流量值，從而確定備件流量計(jì)的計(jì)量性能。
　　
　　臨界流音速?lài)姽軞怏w流量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為一種典型標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，主要由氣源、試驗(yàn)管路、并聯(lián)臨界流音速?lài)姽芙M和控制設(shè)備四部分組成。
　　
　　公司2007年建成了一套以臨界流音速?lài)姽芙M為標(biāo)準(zhǔn)表的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，裝置作為壓縮空氣和蒸汽兩種介質(zhì)流量計(jì)共用的流量標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)中采用為科學(xué)和的蒸汽流量計(jì)量溫度、壓力補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型，通過(guò)氣體流量裝置與國(guó)家蒸汽流量計(jì)量煙臺(tái)檢定站蒸汽流量標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)流標(biāo)定比對(duì)、數(shù)據(jù)擬合處理，確保準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)蒸汽流量計(jì)校準(zhǔn)。
　　
　　2、氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度評(píng)定
　　
　　2.1數(shù)學(xué)模型
　　
　　本裝置采用臨界流音速?lài)姽茏鳛闃?biāo)準(zhǔn)表，流體介質(zhì)為空氣，其單個(gè)臨界流音速?lài)姽艿膶?shí)際質(zhì)量qm和體積流量qv計(jì)算公式為：式中：ρ、p、T分別為被檢流量計(jì)處的空氣密度（kg/m3）、壓力（Pa）、熱力學(xué)溫度（K）
　　
　　A—噴嘴喉部面積；（mm）C—噴嘴流出系數(shù)；C*—臨界流函數(shù)；P0—噴嘴前氣體的滯止壓力（Pa）；T0—噴嘴前氣體的滯止溫度（K）；R—通用氣體常數(shù)，其數(shù)值為8314.51J/（kmol.K）；M—空氣千摩質(zhì)量，其數(shù)值為28.9625kg/（kmol）。
　　
　　作為標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，本裝置利用多個(gè)臨界流音速?lài)姽埽?biāo)準(zhǔn)流量計(jì)）并聯(lián)方法，累加流過(guò)每個(gè)臨界流音速?lài)姽軞怏w流量來(lái)擴(kuò)大裝置的氣體流量范圍。
　　
　　由于每個(gè)臨界流音速?lài)姽芏际仟?dú)立工作的，所以n個(gè)臨界流音速?lài)姽懿⒙?lián)組合后裝置氣體流量計(jì)量不確定度可以表示為由（3）式可以得出：多個(gè)臨界流音速?lài)姽懿⒙?lián)組合后并不會(huì)降低標(biāo)準(zhǔn)裝置的測(cè)量不確定度，此時(shí)裝置測(cè)量不確定度一定不超過(guò)噴管組中單個(gè)臨界流音速?lài)姽軞怏w流量不確定度的大值。因此，可以依據(jù)式（1）數(shù)學(xué)模型，通過(guò)評(píng)定單個(gè)臨界流音速?lài)姽軞怏w流量不確定度方法，確定多個(gè)臨界流音速?lài)姽芙M合后裝置氣體流量測(cè)量不確定度。
　　
　　2.2輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定
　　
　　由于檢定和使用音速?lài)姽軙r(shí)都是在空氣介質(zhì)下進(jìn)行的，A、C*、M和R的值相同，因此可忽略該四項(xiàng)引入的不確定度。
　　
　　（1）流出系數(shù)C的不確定度
　　
　　按照J(rèn)JG620-2008《臨界流文丘里噴嘴檢定規(guī)程》要求，在95%的置信概率下，U=0.2%。因測(cè)量次數(shù)為6，可得t95=2.45，則有
　　
　　（2）音速?lài)姽苋肟谔帨箟毫0的不確定度
　　
　　所用壓力變送器滿(mǎn)量程為1000kPa，允許誤差為滿(mǎn)量程的0.1%，因此，當(dāng)P0取800kPa時(shí)，按均勻分布，則有
　　
　　（3）音速?lài)姽苋肟谔帨箿囟萒0的不確定度
　　
　　所用溫度變送器滿(mǎn)量程為100℃，允許誤差為滿(mǎn)量程的0.1%；考慮滯止容器溫度不均勻性（0.2K）影響，因此，當(dāng)T0取300K時(shí)，按均勻分布，90%可靠，則有
　　
　　（4）被檢流量計(jì)處的溫度T和壓力P的不確定度
　　
　　本裝置中被檢流量計(jì)處溫度T和壓力P的測(cè)量?jī)x器與測(cè)量音速?lài)姽苋肟跍箿囟葔毫Φ膬x器相同，單獨(dú)考慮檢定管路內(nèi)溫度不均勻性為0.5K。因此可得
　　
　　（5）計(jì)時(shí)器的不確定度
　　
　　當(dāng)被檢表為累積式流量計(jì)（如渦街流量計(jì)）時(shí)，考慮計(jì)時(shí)器的不確定度。由于計(jì)時(shí)器時(shí)間間隔大相對(duì)不確定度出現(xiàn)在短測(cè)量時(shí)間，本裝置一次檢定短時(shí)間為30s。
　　
　　本裝置選用標(biāo)稱(chēng)頻率3.5×10-4和6.2×10-4的晶振，校準(zhǔn)證書(shū)給出準(zhǔn)確度分別為3.5×10-4和6.2×10-4，按低準(zhǔn)確度和均勻分布考慮，則有
　　
　　（6）空氣與蒸汽介質(zhì)換算引入的不確定度
　　
　　①比對(duì)分析蒸汽流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度和穩(wěn)定度引入的分量
　　
　　國(guó)家蒸汽流量計(jì)量煙臺(tái)檢定站蒸汽流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用冷凝稱(chēng)重法原理，試驗(yàn)介質(zhì)為干飽和蒸汽、微過(guò)熱蒸汽。裝置的不確定度U=0.18%（p=95%）；裝置的穩(wěn)定性δ=0.068%。
　　
　　②蒸汽密度計(jì)算引入的分量
　　
　　蒸汽密度計(jì)算采用“工業(yè)用IFC1967公式”計(jì)算法就是根據(jù)“工業(yè)用IFC1967公式”采用微機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)蒸汽密度輸出。1967IFC公式為IFC（公式化委員會(huì)）針對(duì)水蒸氣熱力性質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)一，于1967年提出并獲得共同認(rèn)可的水蒸氣密度計(jì)算公式。現(xiàn)在各國(guó)使用的水和水蒸氣熱力性質(zhì)圖表，都是根據(jù)1967IFC公式計(jì)算編制的。
　　
　　經(jīng)實(shí)際計(jì)算該項(xiàng)大偏差為±0.02%，引入的不確定度為
　　
　　③比對(duì)試驗(yàn)用智能渦街流量計(jì)測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度
　　
　　比對(duì)試驗(yàn)采用的渦街流量計(jì)為準(zhǔn)確度等級(jí)為1.5級(jí)，上海肯特儀表有限公司生產(chǎn)的KTUD-23型渦街流量計(jì)。在蒸汽標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定，確定重復(fù)性為0.7%，按均勻分布，80%可靠。
　　
　　④空氣與蒸汽介質(zhì)換算引入的分項(xiàng)不確定度
　　
　　（7）裝置重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度
　　
　　選用渦街流量計(jì)在DN50管線(xiàn)上重復(fù)10次，測(cè)量結(jié)果分別為183.60、183.69、183.60、183.05（單位：Nm3/h），計(jì)算得到：
　　
　　2.3臨界流音速?lài)姽軞怏w流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度評(píng)定
　　
　　表1標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度評(píng)定一覽表
　　
　　3、結(jié)論
　　
　　多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)并聯(lián)組合的標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量測(cè)量不確定度不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)組中單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)流量測(cè)量不確定度的大值，這一理論，為標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量不確定度數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化提供了可靠的理論依據(jù)。
　　
　　具有蒸汽流量計(jì)校準(zhǔn)功能氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量不確定度評(píng)定應(yīng)充分考慮蒸汽和空氣介質(zhì)換算引入的各不確定度分量。