气体涡轮和腰轮流量计在比对过程中的计量性能分析

李晓宇　刘敦利

(新疆维吾尔自治区计量测试研究院，乌鲁木齐 830011)

0　引言

在气体流量计量中，气体涡轮和腰轮流量计均为比较成熟的仪表，具有准确度高、重复性好、量程比宽、抗干扰能力强等特点，在石油化工工业生产中广泛应用[1-2]。同时，在全国省级技术机构之间和省市范围内，这两种流量计也多次被作为传递标准用于气体流量标准装置的比对工作[3]。

但是，比对过程中，这两种流量计的计量性能变化情况以及这一变化对比对数据的影响程度等问题都没有一个定量甚至定性的结论。分析和研究这些问题，有利于对比对数据更加客观的评价和处理，提高比对结果的公平性和公正性[4]。同时，进一步分析其变化规律，有利于指导比对工作中对流量计和流量点的选择，以减小流量计本身对比对数据的影响程度，使得比对结果能够更好地反映标准装置的测量能力。

2013年9月，新疆维吾尔自治区计量测试研究院承担并主导了全疆范围内气体流量标准装置的比对工作。本文基于本次比对工作中的实验数据，分析和研究两台传递标准——气体涡轮流量计和气体腰轮流量计的计量性能变化情况，以期为探讨和解决上述问题提供参考。

1　比对概述

主导实验室为新疆计量测试研究院，参比实验室为全疆范围内其他七个授权的计量技术机构。所有实验室的比对装置均为临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置，测量范围均满足比对的流量点要求。传递标准为一台涡轮流量计和一台腰轮流量计，均采用脉冲输出的方法，测量设定流量点的仪表系数。传递标准的参数见表1。

为了保证传递标准的计量性能稳定性，采用星形式传递方法，比对过程中主导实验室完成对传递标准的8次试验。每个流量点重复实验6次，取算术平均值作为实验结果。比对过程中人员全程监督，传递标准在比对过程中没有出现碰撞、跌落、电击、堵塞等意外情况，保证了传递标准的完好性和实验数据的有效性。

表1　传递标准参数

本文基于实验数据分析和研究气体涡轮和腰轮流量计的计量性能变化，从流量计整体情况、单个流量点情况两个角度出发，分析其示值误差、仪表系数、复现性、稳定性等方面的内容，同时对比对数据进行处理，以验证分析结论。

复现性定义为同一流量计在相同的标准装置、不同的实验时间、不同的实验环境条件下得到测量结果的一致程度，采用实验标准偏差表示[5-6]。衡量标准为流量计最大允许误差绝对值的1/3。计算公式为：

(1)

稳定性定义为同一流量计在同一个标准装置、不同实验条件下，多次测量结果的变化幅度，衡量标准为流量计的最大允许误差。计算公式为：

(2)

式中：xmax、xmin分别为本次实验数据中仪表系数或示值误差的最大值、最小值。

2　流量计整体计量性能分析

试验得到的两个流量计的仪表系数和示值误差以及它们的平均值、复现性和稳定性如表2所示。

表2　气体涡轮和腰轮流量计的仪表系数和示值误差

2.1　示值误差

气体涡轮流量计最大示值误差为0.28％，气体腰轮流量计最大示值误差为0.31％，均小于其最大允许误差1％，满足合格要求。由此说明，气体涡轮和腰轮流量计的计量准确度比较高，稳定性也较好。同时，由于采用脉冲输出方式，示值误差也反映了流量计仪表系数的线性度，示值误差较小，说明流量计仪表系数的线性度也比较好。

2.2　复现性

气体涡轮流量计的仪表系数复现性为0.12％、示值误差复现性为0.06％，小于0.33％，由此说明气体涡轮流量计在改变了实验时间和环境条件下，仍然能够保证仪表系数和示值误差的一致性，也证明了常规的检定结果对正常工作条件下气体涡轮流量计的有效性。同样，从气体腰轮流量计的仪表系数和示值误差的复现性数据分析，结论与气体涡轮流量计一致。

2.3　稳定性

气体涡轮流量计的仪表系数和示值误差的稳定性分别为0.41％、0.64％，均小于1％，在合格范围内。气体腰轮流量计的仪表系数稳定性为0.81％，示值误差稳定性为1.13％，前者合格，后者不合格。

2.4　小结

从气体涡轮和腰轮流量计的仪表系数和示值误差整体分析其复现性和稳定性，可以得出：在多次试验中，两种流量计的仪表系数和示值误差均保持了较好的一致性。同时，前者的稳定性优于后者，后者的示值误差稳定性超过允许范围，可能会对比对结果产生较大影响。

3　单个流量点计量性能分析

针对每一个流量点仪表系数的测量数据见表3。

表3　单个流量点的仪表系数及其复现性和稳定性

3.1　仪表系数

对表3中两台流量计各流量点的仪表系数转换为折线图，见图1和图2。

图1　气体涡轮流量计各流量点的仪表系数

图2　气体腰轮流量计各流量点的仪表系数

从图1中可以看出，气体涡轮流量计三个流量点仪表系数的变化趋势基本上是一致的。其中，80m3/h流量点的仪表系数最大，150m3/h和300m3/h两个流量点的仪表系数基本相同。所以，气体涡轮流量计在150m3/h和300m3/h流量点的仪表系数具有较好的一致性，在比对实验中，选择这两个流量点能够更好地反映出标准装置在不同流量点的稳定性和准确性。

图2中，气体腰轮流量计三个流量点的仪表系数整体的变化趋势相同，第二次试验的仪表系数整体增大，第三次试验的仪表系数却整体下降，而之前和之后的仪表系数基本保持一致。三个流量点的仪表系数平均值分别为1413.96m-3、1416.19m-3和1419.20m-3，差值基本相同，说明气体腰轮流量计的仪表系数与流量点的线性关系较好。

同时，从表3中可以看出，气体涡轮流量计的仪表系数随着流量点的增大而减小，而气体腰轮流量计的仪表系数随着流量点的增大而增大，这也反映出两种流量计不同的计量特性。

3.2　复现性

气体涡轮流量计在80m3/h、150m3/h、300m3/h流量点的仪表系数复现性分别为0.17％、0.11％和0.08％，均小于0.33％，属于合格范畴，且值都比较小；气体腰轮流量计三个流量点的仪表系数复现性分别为0.30％、0.29％和0.18％，也均小于0.33％，但是值都比较大，其复现性明显比气体涡轮流量计差。

由此可以分析出，两台流量计所有流量点的仪表系数在不同检定条件下均表现出了较好的一致性，但气体涡轮流量计的一致性明显优于气体腰轮流量计。同时，两台流量计均表现出流量点仪表系数的复现性随着流量点的增大而减小的特点，也就是说在接近其最大流量点处仪表系数的复现性最好，仪表系数的一致性最好。这一特点有利于在对标准装置进行量值比对、期间核查、稳定性和重复性考核等工作中更好地选择流量点，以尽量减小或避免流量计本身对标准装置测量结果的影响。

3.3　稳定性

气体涡轮流量计从小到大的三个流量点的仪表系数依次为0.53％、0.32％和0.24％，均处于合格范围内；气体腰轮流量计从小到大的三个流量点的仪表系数分别为1.06％、1.01％和0.60％，其中前两个值均大于1％，不合格，第三个值虽然合格，但也较大。

这些数据说明了气体涡轮流量计在实验过程中保持了良好的稳定性，仪表系数的变化对比对结果的影响较小，属于可以接受范围；而气体腰轮流量计在实验过程中的稳定性较差，仪表系数出现了较大的偏离，不能客观反映出标准装置的计量性能，在比对实验中需要慎重

3.4　小结

从单个流量点分析两台流量计的仪表系数，发现气体涡轮流量计的仪表系数在后两个流量点一致性较好，能够更好地反映出标准装置的稳定性和准确性；而气体腰轮流量计的仪表系数与流量点的线性关系较好。同时，两种流量计的仪表系数随着流量点的增大而呈现相反的变化趋势。

气体涡轮和腰轮流量计各流量点仪表系数的复现性均合格，但前者明显优于后者，且随着流量点的增大，复现性逐渐变好。在利用这两种流量计考核标准装置的工作中，尽可能选择大的流量点，有利于使测量结果更好地反映标准装置的计量特性。

气体涡轮流量计的稳定性均合格，但气体腰轮流量计前两个流量点仪表系数的稳定性不合格，在比对实验中优先选择前者，慎重选择后者。两种流量计仪表系数的稳定性也随着流量点增大而提高，选择大流量点有利于减小仪表系数稳定性对比对试验的影响。

4　结束语

本文依据气体涡轮和腰轮流量计的8次实验数据，从示值误差、仪表系数、复现性、稳定性等方面分析了两台流量计在比对过程中的计量性能变化情况。从整体上分析，两台流量计的仪表系数和示值误差均具有较好的一致性，但气体腰轮流量计的变化幅度较大。从单一流量点分析，气体涡轮流量计各流量点仪表系数均表现出了很高的复现性和稳定性；而气体腰轮流量计各流量点仪表系数的复现性较好，稳定性超过允许范围。

气体流量标准装置的比对是保证区域范围量值传递一致性和有效性的一项重要内容。但由于工作的难度大、周期长、内容复杂，所以很难保持一定的连续性和周期性，对传递标准在比对过程中的计量性能变化研究也不能得到很好的论证。所以，本文的分析和研究结论也并不能代表两种类型流量计的整体计量性能，需要更加充分的实验和充足的数据才能得出尽可能全面、客观的结论，为提升气体流量标准装置的比对工作提供依据。

[1]全国流量容量计量技术委员会.速度式流量计[M].北京：中国计量出版社，2008：99-100

[2]杨有涛，徐英华，王子钢.气体流量计[M].北京：中国计量出版社，2007：104-105

[3]蔡明山，王平静.气体流量标准装置比对实验结果分析[J].甘肃科技，2013,29(2)：57-58，67

[4]郑建梅，梁永超，张伟伟，等.对气体涡轮流量计仪表系数稳定性的分析[J].城市燃气，2007,38(6)：9-11

[5]耿维明.测量误差与不确定度评定[M].北京：中国质检出版社，2011：34-35

[6]刘智敏.复现性不确定度的计算[J].计量技术，2006(8)：53-56