能源计量中容量量值传递技术研究

李 峰，何伦志，塔依尔·斯拉甫力，王顺利

（1.新疆大学，新疆 乌鲁木齐 830046；2.新疆计量测试研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

能源计量中容量量值传递技术研究

李 峰1，2，何伦志1，塔依尔·斯拉甫力2，王顺利2

（1.新疆大学，新疆 乌鲁木齐 830046；2.新疆计量测试研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

为解决新疆石油勘探、开采、数据分析到贸易结算所有环节容量量值的准确与统一，提出容量量值溯源技术的研究。标准金属量器在能源计量中起着重要的量值传递作用，该文以金属量器容量检定为研究对象，在现有检定方法和理论计算的基础上，利用计算机控制及数据采集、处理技术，开发出三等金属量器容量检定装置。经过容量量传体系的理论分析，结合容量衡量法与容量比较法，实现对三等金属量器容量的检定，该方法操作方便，过程简单，具有准确度高、重复性好的优点。

容量计量；容量衡量法；容量比较法；三等金属量器

0 引 言

石油贸易已经成为新疆与中亚国际贸易中最重要的组成部分，容量计量作为石油贸易结算中最为核心的技术指标之一，其数据的准确度对油品静态计量的公平公正有着重要意义[1-2]。

标准金属量器（一等、二等和三等）的社会效益主要体现为它是作为中容量[3]量值传递的标准设备，标称容积量值的准确性与企业石油贸易结算的额度值有着密切的关系。

目前国内各省计量院、计量站及法定容量计量授权机构对三等金属量器标称容积的检定，方法大致雷同，都是借助自来水压力注水，采用容量比较法则，通过人工干涉读数，最终完成标称容积的检定工作。这种方法存在的主要问题就是随着大批量的待检金属量器量数目增加，操作过程繁琐、工作难度增加、劳动强度变大。由于读取数据和控制页面需要检定员人工干预，检定实验的可控性差，测量数据精度不高。由于采用的设备低端落后，检定方法滞后，实验数据的保存方式混乱，数据处理错误率高，尽管配置了水箱，但并没有介质过滤和循环结构，导致实验使用的水介质直接排放至公共下水通道。因为三等金属量器多以标准设备使用，除了科学实验研究，很少以工作计量器具使用，无法实现高效、准确的动态计量。三等金属量器作为标准器使用，其数量的增长速度远不及容量或者流量动态计量的仪表——流量计，并且量值传递技术服务费用与付出的劳动量远远不成比例，所以中容量量值传递体系研究工作处于缓慢状态。

文章通过容量比较与容量衡量[4-5]两种法则的综合使用，完成对三等金属量器的快速、准确检定、提高量传工作的自动化程度，减小劳动强度的同时，节约量传的经济成本，保障油品静态计量中容量量值数据的可靠性和准确性。

1 标准装置结构设计

三等金属量器[6-7]容量检定装置主要由5大体系组成，分别为标准器、测量设备、辅助设备、控制单元、数据采集及数据处理部分。

标准器由1套二等标准金属量器组、2台电子天平及一等标准密度计组组成，同时配备单刻线容量瓶。辅助设备包含针对介质和大气的温度与压力测量仪器。辅助设备由检定实验平台、水箱、管路及扶梯组成。控制单元包括电源、指示与控制按钮、开关量输出及模拟量输入模块。数据采集及处理部分主要包括下位机控制系统和上位机VB数据采集及数据处理程序。

文章研究的三等金属量器容量检定装置总体思路就是以二等标准金属量组、高精度电子天平和一等玻璃密度计组为主标准器，通过上、下位机的联合控制和数据交换，实现三等金属量器容量量传的自动化。

三等金属量器容量检定装置如图1所示，该标准装置主要包括容量衡量法检定系统和容量比较法检定系统[8-9]，实施对金属量器容量量值的准确传递。

图1 三等金属量器容量量传标准装置

1.1 容量比较法量传系统

三等金属量器容量比较法检定系统的主标准模块是标准金属量器组，工作原理如图2所示。

需要说明的是，三等金属量器通过容量比较法实现标称容积的量值溯源，最直观的方法就是通过二等金属量器按照比值为1∶1的比较法则方法。但是，通常由于工作量器的标称容积很大，二等标准量器的标称容积很小，无法实现1∶1的比较法则，就需要采用将二等金属量器的组合量值与被检金属量器的量值进行比较检定，为了最终数据的可控和准确性，容量比值不应大于1∶10。项目研究结果快速、准确实施对容量范围为5～2000 L的三等工作金属量器进行量值传递工作。

图2 容量比较法原理图

检定时，通过循环泵和管路向二等标准金属量器（或量器组合）内注水，直至标称容积刻度，待液面稳定后，测量容器内介质温度；将标准金属量器内的介质排出至金属量器，排空，关闭阀门，读取液位刻度值，测量温度；计量颈部分度检定；修正计算后得出金属量器标称容积对应的液位刻度值，根据规程要求给出检定结果和结论。

1.2 容量衡量法量传系统

容量衡量法[10]通过密度测量，实现质量与体积的换算，三等金属量器的质量为ML，体积为VL，检定介质的质量为Mw，体积为Vw，密度为ρw，实验室空气密度为ρa，检定介质的表观质量为M（由标准砝码质量、补加小砝码和天平平衡位置计算），其平衡方程为

由式（2）～式（4）得：

式中ρB为标准砝码材料密度，Vw为量器内容纳检定介质（本章中检定介质为水）的体积，即T℃时的量器容积，即VT=Vw。

容量衡量法的工作原理就是通过测量水的质量、密度、温度及液位刻度，然后计算出标称体积。测量所使用主标准器为高精度电子天平和一等玻璃密度计，主要辅助设备为温度传感器、湿度传感器、单刻度容量瓶、容量瓶，主要配套设备为循环式移动水箱、注水平台及上下位机控制器。

金属量器容量衡量法检定系统重点由工控机、PLC数据采集器、主标准器（电子天平和一等玻璃密度计）、主工作台、移动分离式循环水箱、注水管路系统、数据采集仪器仪表组成，总体布局方案如图3所示。

根据容量与温度的关系，相同量器，温度不同，容积也不同。温度升高，量器容积增大；温度降低，量器容积减小，所以只有在确定的温度下，测量金属量器的标称容积值才有意义。三等金属量器受温度变化而产生热胀冷缩的现象，最终影响容积的变化量，在量传和实际贸易结算实验中必须考虑修正因子。

图3 容量衡量法总体布局方案

0℃时金属量器的容积为V0，体膨胀系数为β，则T℃时的容积VT为

如果温度由T1变化到T2，金属量器容积将由V1变化到V2，忽略β的高次微分项，则：

温度变化，则金属量器容积量值就会变化，如式（7）所示。为统一被检金属量器的容积值，必须确定金属量器的标准温度。

假设 V1=V20，T1=20℃，则：

标准装置技术指标为：在测量范围1～2000L容量计量范围下，其准确度等级≤0.05%。

1.3 容量量传体系所涉及的关键技术

三等金属量器在实际使用时，很少计量纯洁度很高的介质容积，而是贸易结算中的各类性质的油品，介质的污染程度很严重。由于三等金属量器常用于油品贸易计算和流量器具的检定，所以针对它的检定，要频繁使用文章研究的三等金属量器容量检定装置，实际检定（或校准）过程中对水箱的污染很严重，所以文章考虑将主体容积检定和颈部分度容积检定的循环水箱分开设计。

移动式循环隔离水箱如图4所示，颈部分度容量标定的介质水保留在整体水箱的上端，不需循环，所占体积约为主体循环水箱容积的1/4～1/3，主体容积检定水箱位于其下面，配备隔离栅，通过循环泵，反复使用，直至实验结束。

图4 移动式循环隔离水箱

当水的表观质量接近被检金属量器的标称容积值时，液面上升速率很快，如果控制部分出现计算错误，水泵开关量不变化，继续注水，将造成液面高于金属量器的整体高度，检定介质（水）外溢，实验失败。

为解决此问题，采用容量衡量法实验时，上位机控制软件需要设定注入介质的预计值，预计值的数值小于被检定金属量器标称值。因为水的密度接近1000kg/m3，预设值由大量重复实验得到，供日常检定查表使用。

预计值的引入，使得电子天平的表观量值达到预设值时，下位机控制器发出指令，控制水泵的数字开关量变化，电磁阀断电，水泵停止工作，依靠水流上冲的加速度，电子秤赋值的表观质量接近标称质量，液面达到理想位置。

表1 三等金属量器容量衡量法受控实验数据

2 实验数据分析

三等金属量器容量检定装置是工作量器容量的重要量值溯源标准。通过日常实验，记录数据，制作控制图[11]，有效地保障了测量过程的稳定性和可靠度，该数据是判断三等金属量器标准装置是否处于受控状态的技术文件。

实验分析采用平均值-极差控制图[12]记录三等金属量器容量检定装置的量值传递过程，判断计量过程是否受到无法控制的随机效应的影响，数据如表1所示。由实验数据得到的平均值及极差控制图如图5、图6所示。

图5 平均值控制图

图6 极差控制图

依据各项准则，对图5、图6中各检测点的分布状态进行评判，可知三等金属量器容量检定装置量值传递过程未出现异常，没有受到不受控的系统效应和不受控的随机效应的影响，达到社会公用计量标准容量量值传递中三等金属量器最大允许误差为±（0.5～1）×10-3L 的技术指标要求。

3 结束语

本文在现阶段国内外容量计量量值传递技术研究的基础上，结合中容量计量的特点，建立的三等金属量器容量检定装置主要解决了检定介质循环使用、标称容积与颈部分度标定介质的隔离、衡量法与比较法的精密结合等问题。

三等金属量器容量检定装置的建立，很好地解决了新疆区域能源计量中容量量值传递的技术难题。实验数据证明，在同等检定和校准条件下，三等金属量器容量检定装置系列指标能够公平、公正地为社会提供优质的数据检测服务。

值得后续继续研究的问题是，标准金属量器作为最基本的容量标准器，无法使用稳定的核查标准进行期间核查，但是可以利用平均值-极差控制图定期实验，观测测量值的平均值、极差变化情况，以此来判断标准金属量器容量检定装置的测量过程是否处于统计控制状态。连续不断的实验数据能保证标准装置的正常量值传递工作。但针对标准容积超过1000L的金属量器，由于受到空间和体积的限制，这项工作较为困难，尤其1000L与2000L标准器是现场量传工作使用频率最多的设备，核查实验尤为重要。

[1]标准金属量器检定规程：JJG 259-2005[S].北京：中国计量出版社，2005.

[2]刘子勇.容量计量[M].北京：中国计量出版社，2009：97-105.

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[11]王顺利，李晓宇，郑云林，等.负压法临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置的研究及应用[J].工业计量，2013，23（5）：43-47.

[12]王顺利，李晓宇.利用罗茨流量计内部比对进行标准装置期间核查[J].计量技术，2014（9）：75-77.

（编辑：李妮）

The research on volume value transfer technology in energy metrology

LI Feng1，2， HE Lunzhi1， TARYER Slafuli2， WANG Shunli2
（1.Xinjiang University，Urumqi 830046，China；2.Xinjiang Institute of Measurement&Testing Technology，Urumqi 830011，China）

In order to solve the accuracy and unification of the volume value in all the links in the exploration， mining ，data analysis and business settlement as well in Xinjiang oilfield， the paper put forward the research on the traceability of the capacity value and standard metal tank plays an important role in the value transfer in energy measurement，taking calibration in metal tank volume as the research object， based on existing verification methods and theoritical calculation， with the help of computer control system， data acquisition and processing technology，the third-class metal-tank volume verification device was developed.Through theoretical analysis in capacity value transfer， combined with volume-weighing method and volume-comparison method，the verification of the three metal tank volume was carried out.Experiment results show that the method is easy in operation and simple in process with high accuracy and good repeatability.

volume measurement;volume-weighing method;volume-comparison method；third-class metal-tank

A

1674-5124（2017）06-0022-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.06.005

2017-01-18；

2017-03-02

国家质检总局科技计划项目（2012QK304）

李 峰（1975-），男，山东青岛市人，教授级高工，博士研究生，研究方向为资源与环境经济学、能源计量、产业计量。