计量学基本原则在涡轮流量计使用中的应用

杨辰芳 贾文轩 魏 兵 朱爱民

(1.河北省计量监督检测院，石家庄 050051；2.河北省食品质量监督检验研究院，石家庄 050091；3.河北大学质量技术监督学院，保定 071000)



计量学基本原则在涡轮流量计使用中的应用

杨辰芳1贾文轩2魏 兵1朱爱民3

(1.河北省计量监督检测院，石家庄 050051；2.河北省食品质量监督检验研究院，石家庄 050091；3.河北大学质量技术监督学院，保定 071000)

将计量学理论与计量实践相结合，归结出了保证计量器具使用准确度，用于指导计量过程中计量学基本原则。将该基本原则与流量计量的特点相结合，论证了流量计量中的等精度传递理论。在此基础上针对涡轮流量计现行检定方法及检定准确度的评定方法，提出了涡轮流量计使用过程中保证和提高其准确度的常用方法，对广大涡轮流量计用户具有普遍指导意义。

检定准确度；使用准确度；等精度传递；仪表系数

0 引言

大量计量实践证明，对于一台经过了计量检定(或校准)性能良好的计量器具，如对其使用不当，也得不到人们期望的使用准确度。那么对于一台已检定合格，已知检定准确度和仪表常数的涡轮流量计，该如何保证其使用准确度等于或者优于其检定准确度呢？本文力图通过对一个计量过程的解析，寻求保证使用准确度等同于检定准确度的一般途径——即计量学基本原则。将该原则与流量计量的特点和误差理论相联系，论证了用于提高其使用准确度的等精度传递理论，提出了涡轮流量计使用过程中保证和提高其使用准确度的条件和常用方法。

1 计量学基本原则

1.1 计量器具在不同形态下的两种计量准确度

计量是保证单位统一和量值准确可靠的测量活动。一个完整的计量过程应包括两个必备环节：1)计量器具出厂后的计量检定；2)用检定合格的计量器具对被测量进行的测量。将上述两个环节与误差相联系后便可得到计量器具在不同形态下两种概念不同的计量准确度：1)计量器具在检定条件下确认的准确度(检定准确度)；2)计量器具在实际使用条件下的准确度(使用准确度)。无疑通常情况下，计量器具的使用准确度低于检定准确度，那么在什么技术条件下，才能保证使用准确度等于其检定准确度呢？要对此做出判断，就需要建立起一定原则，这些原则就叫做计量学基本原则。

1.2 计量学基本原则

如何保证计量器具的使用准确度，是计量工作者的共同课题。长期以来在计量技术的不同领域人们一直在进行着这项研究。并在计量领域的不同专业，产生了多项成果。例如：几何量计量中的阿贝原则、最小变形原则、最短测量链原则和封闭原则，减少测量过程中恒定系统误差的异号测量法、微差测量法，力学与电学计量中的替代测量法、交换测量法、对称测量法以及应用更为广阔的组合测量法等。其实质都是计量学基本原则的特定内容。通过对上述内容进行归纳，可抽象出用于指导计量过程的基本原则：

1)被测量与被测量的标准二者的特性(是指几何特性与物理特性)应在计量过程中尽量保持相同；

2)计量器具的检定过程与使用过程应尽可能保持相同。

遵循第1)原则可使任何被测量的标准和被测量受环境影响尽可能相一致，从而减小二者之间差异带来的附加误差。第2)原则主要用来减小由于二个比较过程不一致带来的附加误差。在计量过程中满足上述原则就可以最大限度地使计量器具的使用准确度接近其检定准确度。

1.3 等精度传递理论

1.3.1 计量学基本原则在流量计量中的特定原则

由于流量计量的对象是各种流体，因此流体的流动特性和介质特性是流量计量的固有特性。由计量学基本原则结合流量计量的特点，便可得出流量计量过程的计量学基本原则(特定原则)：

1)流量计的检定与使用时流体的流动特性应尽可能相同；

2)流量计的检定与使用时流体的介质特性(指流体的密度、粘度等)应尽可能一致；

3)流量计的检定与使用时，操作过程及环境影响应尽可能保持相同；

4)流量计的检定与使用的流量范围或流量点应尽可能保持一致。

因为流体的流动特性和介质特性不仅影响流量计基本方程中各个特性参数以及流量方程的整体成立条件，而且流量计的工作特性也与之密切相关。因此第1)、2)原则属流量计量的特别原则，而第3)、4)原则是计量学基本原则的内容。

1.3.2 等精度传递理论

等精度传递理论的意义是指，只要遵循计量学基本原则在流量计量中的特定原则去指导流量计量过程，那么流量基准或标准所复现的流量单位量值将等精度传递给工作流量计，而大大减少量值传递中精度损失。下面举例论证：

在JJG 1037—2008《涡轮流量计》检定规程中规定，其检定准确度由下式确定：

(1)

式中：Δ1为流量标准装置的准确度；Δ2为流量计的重复性(检定点中仪表系数相对误差的最大值)；Δ3为流量计仪表常数的非线性误差。

如满足计量学基本原则在流量计量中的特定原则之要求，并把流量计的检定流量点作为使用时的流量点，则在满足上述条件下，式(1)中的Δ3便可忽略，则流量准确度为：

(2)

当Δ2<<Δ1时，则δ≈Δ1，即当被检流量计的重复性(随机误差)远小于流量标准装置的准确度时，被检流量计的准确度便近似等于流量标准装置的准确度。我们知道在流量计量器具中，容积式流量计(例如椭圆齿轮流量计、活塞式流量计、腰轮流量计等)和涡轮流量计在定点使用时，其重复性是非常好的，一般可达到0.05%，甚至更高。另外由误差理论中随机误差的特性我们还知道，当测量次数无限大时，其随机误差将趋于零。因此依据流量计和随机误差特性，完全可达到如上假设条件，所以等精度传递理论在实际中是可以实现的。

综上所述，可得出如下结论：用计量学基本原则与流量计量的特点相结合便可得到指导流量计量的特定原则。用该特定原则指导流量计量过程，便可实现流量量值的等精度传递，从而大大减小流量量值传递中的精度损失，提高流量计的使用准确度。

2 计量学基本原则在涡轮流量计使用过程中的应用

2.1 涡轮流量计现行检定方法及检定准确度评定方法

涡轮流量计(以液体普通型为例)的检定方法，按所采用的标准器的不同可分为标准容积法、标准称重法、标准体积管法和标准流量计法。按被检流量计的状态又可分为离线检定和在线检定。但无论哪一种检定方法，其实质就是在具有准确度要求的流量标准装置上确定出被检流量计在规定的流量范围内各个检定流量点下的仪表系数。检定流量点包括上下限不少于5个，每个检定点不少于3次。依据上述检定数据，其检定准确度评定方法如下：1)计量每个流量点下3次检定对应的仪表系数及其平均值；2)由各个检定点下的仪表系数平均值得到适用于全量程的仪表常数及该常数的非线性误差Δ3；3)依据每个检定流量点下3次检定得到的仪表系数的分散性评定出其重复性Δ2；4)按式(1)计算被检涡轮流量计的检定准确度。

由上述检定方法及检定准确度的评定方法可看出：

1)流量计的仪表系数由流量标准装置直接传递得到，因此仪表系数的准确度取决于流量标准装置的准确度及3次重复测量的分散性(随机误差大小)；

2)所得的仪表常数实际上是指在全量程范围的通用仪表系数，其实质是对流量计误差特性曲线的简单化处理。

2.2 保证和提高涡轮流量计使用准确度的常用方法

针对涡轮流量计的检定方法及检定准确度的评定方法，运用计量学基本原则在流量计量的特定原则，便可以归纳出对于经过了计量检定，已确定了仪表常数和检定准确度的涡轮流量计，保证和提高其使用准确度的常用方法：

1)只要满足计量学基本原则在流量计计量中特定原则的要求，即流量计的使用条件与检定条件相一致(包括流体的流动特性、介质特性、流量范围及操作过程)，并且在流量计的检定范围内使用其仪表常数，便会使其使用准确度等于检定准确度。

2)若流量计的使用条件满足上述相同性原则，并且流量计在检定流量范围内能够定点使用时(使用其检定流量下仪表系数的平均值)，则流量计的使用准确度将会大大优于其检定准确度。

3)若流量计在检定流量范围内实际使用时，无法满足定点使用条件，则可依据检定中得到的各个检定流量点下的仪表系数平均值与使用流量Q的对应关系。借助最小二乘法原理对仪表常数进行线性化处理，用直线拟合得到的K′=aQ+b来取代仪表常数K，也会在一定程度上提高使用准确度。

2.3 应用举例

在准确度为0.1级静态容积法水流量标准装置上对一台LW-15涡轮流量计进行了计量检定，检定数据如表1所示。

表1 检定数据

重复性：Δ2=0.11%

仪表常数：K0=(563.0+558.0)/2=560.5

检定准确度：δ=[(0.12+0.112+0.452)1/2]%=0.47%

在已知流量计仪表常数和检定准确度条件下，运用计量学基本原则在流量计量中的特定原则指导流量计的使用过程便会产生如下结果：

1)若流量计的使用条件满足特定原则的要求，使用给定的仪表常数K0=560.5时流量计的使用准确度等同于其检定准确度(0.47%)，反之使用准确度低于检定准确度。

2)在满足特定原则条件下，若流量计能够定点使用(使用该点下的仪表系数平均值来替代仪表常数)，则仪表常数的非线性误差便可忽略。流量计的使用准确度为δ=[(0.12+0.112)1/2]%=0.15%。

若使用条件满足特定原则之要求，但流量范围无法变动时，根据实际流量采用特性方程K′=2.1769Q+556.06替代仪表常数K0=560.5可得到K′的非线性误差Δ3′=0.12%，则流量计的使用准确度为δ=[(0.12+0.112+0.122)1/2]%=0.20%。

3 结论

1)涡轮流量计的检定准确度是在检定条件下确定的，只有使用条件满足计量学基本原则在流量计量中特定原则之要求时使用仪表常数才能保证使用准确度等于检定准确度；

2)提高使用准确度的技术条件是在满足计量学相同性原则基础上流量计的定点使用和对仪表常数的线性化处理；

3)上述方法对精密涡轮流量计和气体涡轮流量计具有同样效果。

[1] 石军广，贾克军，朱爱民，等.计量学基本原则在流量计量中的应用.计量技术，2010(6)

[2] 李金海，朱爱民，等.误差理论与不确定度评定.北京：中国计量出版社，2003

[3] JTG 1037—2003涡轮流量计国家检定规程

[4] 贾克军，石军广，贾文轩，朱爱民.等精度传递理论在流量计量中的应用.工业计量，2012(4)

[5] 朱爱民.流体力学.北京：中国计量出版社，2004

[6] 魏兵，贾克军，等.提高涡轮流量计使用准确度的方法.计量技术，2011(1)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.2.24