陳　梅 　 陸　科 　 李　濤

(遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院，沈陽(yáng) 110004)

0　引言

根據(jù)JJF 1004—2004《流量計(jì)量名詞術(shù)語(yǔ)及定義》，可以這樣理解流量標(biāo)準(zhǔn)裝置：以液體(如水或油)或氣體為試驗(yàn)介質(zhì)，提供確定準(zhǔn)確度流量值的測(cè)量設(shè)備。

控制系統(tǒng)是流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不可缺少的組成部分，裝置中各種設(shè)備的動(dòng)作、數(shù)據(jù)的采集、處理、檢定結(jié)果的判定等，都是由控制系統(tǒng)完成的。流量標(biāo)準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)的配置是否合理，數(shù)據(jù)采集、處理是否正確，直接影響流量測(cè)量結(jié)果。

下面以靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為例，談?wù)剬?shí)際工作中的幾個(gè)問(wèn)題。

1　靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量計(jì)算公式

靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置就是根據(jù)在實(shí)測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)，稱(chēng)重容器收集到的通過(guò)換向器進(jìn)入其中的水在靜止?fàn)顟B(tài)下的質(zhì)量，從而計(jì)算出流量的方法?，F(xiàn)在，靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器都采用電子秤，用砝碼進(jìn)行溯源。

JJG 99—2006《砝碼》中規(guī)定用“折算質(zhì)量”表示砝碼的質(zhì)量值。即：一物體在約定溫度(tref=20℃)和約定密度(ρ0=1.2kg/m3)的空氣中，與一約定密度(ρref=8000kg/m3)的標(biāo)準(zhǔn)砝碼達(dá)到平衡，則標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量即為該物體的折算質(zhì)量mc。

折算質(zhì)量mc是物體在空氣中得到的質(zhì)量，物體真空中的質(zhì)量=空氣中的質(zhì)量+浮力，所以折算質(zhì)量mc與該物體在真空中的質(zhì)量m0的關(guān)系是：

m0=mc+ρ0(V-Vc)

(1)

式中：m0為物體在真空中的質(zhì)量，kg；mc為物體的折算質(zhì)量，kg；V為物體的體積，m3；Vc為砝碼的約定體積，m3；ρ0為空氣的約定密度，其值為1.2 kg/m3。

(2)

式中：ρref為砝碼的約定密度，其值為8000kg/m3；ρ為被稱(chēng)量物體的密度，kg/m3。

式(2)是以砝碼為標(biāo)準(zhǔn)器，機(jī)械衡器為比較儀，用比較的方法求出被稱(chēng)量物體質(zhì)量的公式，與GB/T 17612—1998《封閉管道中液體流量的測(cè)量——稱(chēng)量法》中給出的公式是一致的。

用電子秤作標(biāo)準(zhǔn)器檢定流量計(jì)時(shí)，直接讀取的是電子秤的示值m，m與其真空中的質(zhì)量m0的關(guān)系是：

m0=m+ρa(bǔ)V

(3)

(4)

式中：m為物體的稱(chēng)重質(zhì)量(即電子秤的示值)，kg；ρa(bǔ)為空氣的實(shí)際密度，kg/m3。

式(4)是用經(jīng)檢定合格的電子秤稱(chēng)量物體，求其質(zhì)量的公式。

當(dāng)被稱(chēng)量的物體是稱(chēng)重容器在測(cè)量時(shí)間內(nèi)收集到的水時(shí)，式(2)、(4)表示的都是測(cè)量時(shí)間內(nèi)的累計(jì)質(zhì)量流量，ρ為水的密度，一般用水密度計(jì)測(cè)得。

通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，式(2)和式(4)之間存在著0.015%的差異。這是因?yàn)槭?2)是用比較法得出的，即將被測(cè)物(稱(chēng)重容器中的水)的質(zhì)量與砝碼進(jìn)行比較；而式(4)是用直接測(cè)量法得出的，即直接讀取電子秤的示值。在一些流量計(jì)的檢定規(guī)程中，如JJG 1038—2008《科里奧利質(zhì)量流量計(jì)》、JJG 1029—2007《渦街流量計(jì)》、JJG 1030—2007《超聲流量計(jì)》、JJG 1033—2007《電磁流量計(jì)》等，或給出了式(2)，或給出了式(4)，或兩者兼而有之。鑒于目前的質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器均為電子秤，因此應(yīng)采用式(4)進(jìn)行計(jì)算。

2　流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的電流測(cè)量范圍及不確定度

一般的，流量計(jì)或是脈沖輸出，或是電流輸出，或兩者兼而有之，這就要求流量標(biāo)準(zhǔn)裝置至少應(yīng)具有脈沖和電流兩種測(cè)量能力。

在一些流量計(jì)的檢定規(guī)程中，規(guī)定了“流量計(jì)輸出信號(hào)為脈沖時(shí)，一次檢定中流量計(jì)脈沖數(shù)的測(cè)量不確定度應(yīng)優(yōu)于流量計(jì)最大允許誤差絕對(duì)值的1/10”；或“當(dāng)采用被檢表脈沖輸出進(jìn)行檢定時(shí)，一次檢定中所記脈沖數(shù)不得少于最大允許誤差絕對(duì)值倒數(shù)的10倍”。兩種表達(dá)方式是一致的，都是對(duì)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置脈沖計(jì)數(shù)部分的要求，而對(duì)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的電流測(cè)量部分沒(méi)有給出具體要求，JJG 164—2000《液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置》對(duì)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的電流測(cè)量范圍和不確定度也沒(méi)有要求。

流量計(jì)正常工作時(shí)的電流輸出是4～20mA，不同的流量計(jì)工作不正常時(shí)的輸出各不相同，可能會(huì)出現(xiàn)低于4mA(如2.25mA)和高于20mA(如22.5mA)的情況。另外，當(dāng)采用被檢流量計(jì)電流輸出進(jìn)行檢定時(shí)，首先應(yīng)對(duì)流量計(jì)的電流環(huán)進(jìn)行校準(zhǔn)，這時(shí)需要準(zhǔn)確測(cè)出流量計(jì)在4mA和20mA處的實(shí)際值，也會(huì)出現(xiàn)小于4mA和大于20mA的情況。因此流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的電流測(cè)量范圍應(yīng)大于4～20mA，如0～22.5mA。

參照流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)脈沖計(jì)數(shù)測(cè)量不確定度的要求，以靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為例，假設(shè)被檢流量計(jì)為0.2級(jí)，電流測(cè)量的不確定度則應(yīng)優(yōu)于0.02%。事實(shí)上，無(wú)論是數(shù)據(jù)采集模塊還是多功能數(shù)字表，電流測(cè)量的準(zhǔn)確度一般在0.05%～0.1%之間，按矩形分布考慮，則其標(biāo)準(zhǔn)不確定度在0.03%～0.06%之間。

同一臺(tái)流量計(jì)，無(wú)論是用脈沖輸出還是用電流輸出進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果是一致的，但電流輸出測(cè)量結(jié)果的不確定度比脈沖輸出測(cè)量結(jié)果的不確定度要大得多。因此，對(duì)準(zhǔn)確度等級(jí)不低于0.2級(jí)的流量計(jì)，應(yīng)該用脈沖輸出進(jìn)行檢定。

3　差壓式流量計(jì)節(jié)流件流出系數(shù)計(jì)算公式

節(jié)流件前后流體流動(dòng)情況如圖1所示。根據(jù)伯努利方程和連續(xù)性方程，不可壓縮理想流體滿足下列公式：

(5)

A1v1=A2v2

(6)

式中：p1、v1、A1分別表示流束收縮前截面I處的壓力、流速和流通面積；p2、v2、A2分別表示流束為最小時(shí)截面Ⅱ處的壓力、流速和流通面積。

圖1　節(jié)流件前后流體流動(dòng)情況

把式(6)代入式(5)，整理后得到：

(7)

(8)

由qV=A2v2和qm=ρqV，得出：

(9)

(10)

由于實(shí)際流體與理想流體之間存在差異，所以式(8)、(9)、(10)并不適用于實(shí)際流體，必須進(jìn)行修正，設(shè)修正系數(shù)為C，則實(shí)際流體的質(zhì)量流量公式為：

(11)

修正系數(shù)C稱(chēng)為流出系數(shù)，是不可壓縮流體的實(shí)際流量與理論流量的比值，其值由實(shí)驗(yàn)確定。對(duì)式(11)整理后得到：

(12)

此即GB/T 2624.1—2006給出的流出系數(shù)的計(jì)算公式。

圖2是差壓式流量計(jì)常見(jiàn)節(jié)流件的幾種類(lèi)型。

圖2　常見(jiàn)節(jié)流件

對(duì)圖2(a)所示的孔板，d=d1；

由以上分析可知，此類(lèi)流量計(jì)的流量公式是相同的，但不同的節(jié)流件其直徑的計(jì)算是不同的。

4　結(jié)束語(yǔ)

計(jì)量檢定規(guī)程是技術(shù)法規(guī)，是計(jì)量檢定工作的依據(jù)，其制定(修訂)應(yīng)跟上時(shí)代發(fā)展的步伐和使用的需要。作為測(cè)量系統(tǒng)的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，大部分計(jì)算工作是由軟件完成的，這就要求無(wú)論是軟件編制人員還是計(jì)量檢定人員，都應(yīng)正確理解規(guī)程中每個(gè)物理量的含義，將附加因素帶來(lái)的影響降到最低。

[1]JJG 99—2006砝碼[S]

[2]GB/T 17612—1998封閉管道中液體流量的測(cè)量——稱(chēng)量法[S]

[3]GB/T 17613.1—1998用稱(chēng)重法測(cè)量封閉管道中的液體流量裝置的檢驗(yàn)程序——第1部分：靜態(tài)稱(chēng)量系統(tǒng)[S]

[4]JJG 164—2000液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[S]

[5]GB/T 2624.1—2006用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量 第1部分：一般原理和要求[S]

[6]JJG 640—1994差壓式流量計(jì)[S]