稱重式液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置衡器選擇

王俊濤，蒲莉萍，陳孟闖

（新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453049）

0 引 言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，科技快速發(fā)展，流量計(jì)量越來(lái)越受到重視。近年來(lái)流量計(jì)量相關(guān)技術(shù)也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，各種新式流量計(jì)相繼投入使用，老式流量計(jì)也有了很大的技術(shù)提升。從國(guó)家級(jí)院所到地方計(jì)量檢測(cè)部門(mén)，都建立了流量標(biāo)準(zhǔn)并開(kāi)展流量標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)技術(shù)研究，以滿足工業(yè)系統(tǒng)對(duì)流量計(jì)計(jì)量的需要[1-2]。

液體流量計(jì)量是流量計(jì)的重要分支，其標(biāo)準(zhǔn)裝置應(yīng)用廣泛，原理多樣，其中以稱重流量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用最為廣泛，具有運(yùn)行穩(wěn)定、效率高、精度高等特點(diǎn)。衡器是稱重法流量標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部件，合理正確的設(shè)計(jì)選擇標(biāo)準(zhǔn)的衡器是建立一套稱重式流量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)[3]。

1 衡器簡(jiǎn)介

現(xiàn)在常見(jiàn)的衡器主要有機(jī)械式衡器和電子式衡器，近年來(lái)，電子天平以精度高、反應(yīng)快、體積小、壽命長(zhǎng)、使用方便、功能齊全等特點(diǎn)應(yīng)用更加廣泛[4]。

20世紀(jì)80年代以前生產(chǎn)或購(gòu)買(mǎi)的液體流量標(biāo)準(zhǔn)所使用的衡器多是機(jī)械式天平，采用人工手動(dòng)操作，效率低下。隨著自動(dòng)控制及電子技術(shù)的不斷發(fā)展，流量標(biāo)準(zhǔn)裝置自動(dòng)化程度不斷提高，選擇衡器時(shí)，也可以選擇能夠和計(jì)算機(jī)通信的電子天平。

2 液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置衡器選擇

2.1 規(guī)程解讀

JJG 164-2000《液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程》中多處提到對(duì)衡器的要求[5]，在此一一解讀。

通用技術(shù)要求中，4.3.1.1衡器一般采用機(jī)械衡器或電子衡器，電子衡器應(yīng)用自校功能。4.3.1.2衡器的電纜、容器的連接管路和電纜不應(yīng)在衡器上產(chǎn)生附加力。自校功能是為了保證在檢定周期內(nèi)天平的準(zhǔn)確性，以保證裝置的性能，其他部件與衡器脫開(kāi)是衡器正確使用的基礎(chǔ)。

計(jì)量器具控制中，5.1.1.1檢定衡器用標(biāo)準(zhǔn)砝碼，其不確定度應(yīng)優(yōu)于衡器不確定度。說(shuō)明衡器的檢定，使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼，不確定度更優(yōu)的砝碼所檢出的結(jié)果可信、可用。

在5.2.5衡器檢定中，介紹了衡器檢定的方法，不確定度評(píng)定方法。

在5.2.9.2機(jī)械衡器動(dòng)態(tài)效應(yīng)檢定中，介紹了機(jī)械衡器動(dòng)態(tài)效應(yīng)的檢定方法和不確定度評(píng)定方法。

在5.2.10.1裝置合成不確定度中，列舉了不同原理液體流量標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成的公式，從各質(zhì)量法原理公式中可以看出，衡器不確定度為裝置合成不確定度的主要項(xiàng)。

2.2 技術(shù)性能要求

2.2.1 稱量范圍

稱量范圍是指最大稱量到最小稱量之間的范圍。

最大稱量是電子天平的一項(xiàng)重要指標(biāo)，指不計(jì)添加皮重時(shí)的最大稱量能力。選擇電子天平時(shí)，要選合適的最大稱量。液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置有其流量范圍指標(biāo)Qmin～Qmax。流量計(jì)在被檢時(shí)每次測(cè)量時(shí)間不應(yīng)少于裝置要求的最短測(cè)量時(shí)間t，以渦輪流量計(jì)為例，檢定時(shí)要求流量計(jì)檢定點(diǎn)包含qmax，每個(gè)檢定點(diǎn)的檢定次數(shù)不少于3次，對(duì)于準(zhǔn)確度等級(jí)優(yōu)于0.5級(jí)的流量計(jì)，每個(gè)流量點(diǎn)的檢定次數(shù)不低于6次。為滿足流量計(jì)檢定的基本要求，同時(shí)提高流量計(jì)檢定的工作效率，電子天平的最大稱量至少要大于3Qmax·t。

稱重法液體標(biāo)準(zhǔn)裝置要求液體從容器頂部注入，在沒(méi)有緩沖裝置的情況下，液體注入的過(guò)程中尤其是大流量狀體將會(huì)對(duì)天平產(chǎn)生較大沖擊。設(shè)介質(zhì)密度為ρ，最大流量狀態(tài)時(shí)，介質(zhì)出口流速為ν0，則流體對(duì)天平產(chǎn)生的沖擊力為ρ·Qmax·ν0。

對(duì)介質(zhì)進(jìn)行稱重還要考慮需要容器對(duì)介質(zhì)進(jìn)行收集及稱重箱，稱重箱在滿足使用要求的情況下質(zhì)量m0越輕越好。

除了考慮以上稱量因素，為保證天平不會(huì)因過(guò)載而損壞，最大稱量需加一定的保險(xiǎn)系數(shù)，也就是最大載荷再放寬一些，但并不是越大越好。此處可取Qmax·t。

所選電子天平最大稱量為

最小稱量應(yīng)理解為樣品每次添加的最下劑量，小于該載荷值時(shí)稱量結(jié)果可能產(chǎn)生過(guò)大的相對(duì)。不同等級(jí)天平最小稱量如表1所示[6]。

表1 不同等級(jí)天平最小稱量

2.2.2 分度值

分度值是天平的重要參數(shù)，有實(shí)際分度值和檢定分度值e。實(shí)際分度值是指相鄰示值之差，即可顯示的最小讀數(shù)，檢定分度值用于劃分天平級(jí)別與計(jì)量檢定，以質(zhì)量單位表示的值，檢定分度值應(yīng)滿足d≤e≤10d，在一般情況下，檢定分度值e還應(yīng)服從e=10kkg，其中k為正整數(shù)、負(fù)整數(shù)或零。選定電子天平時(shí)，要從絕對(duì)精度即檢定分度e值著手，如選擇0.01 mg的天平，不能將精度概要表述為1/10000或1/100000，這樣有時(shí)是相對(duì)精度，而實(shí)際精度可能達(dá)不到使用要求[6]。

某流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在流量點(diǎn)0.1 mg/s進(jìn)行檢定時(shí)，一次檢定時(shí)間為20s，則一次稱量重量為0.2mg，若采用精度為十萬(wàn)分之一，最大稱量0.1 kg的天平（其絕對(duì)精度只有0.1 mg），所得出的結(jié)果是不準(zhǔn)確的。

2.2.3 不確定度

從液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置合成不確定度分項(xiàng)看，衡器所引入的不確定度是其主要項(xiàng)，其不確定度大小將在很大程度上影響裝置整體不確定度。選購(gòu)天平時(shí)，可以直接看到最大稱量、分度值等參數(shù)，卻不能知道不確定度與什么參數(shù)相關(guān)，在考慮不確定度的情況下選擇天平時(shí)，將會(huì)無(wú)從下手。下面分析一下稱重法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置用天平不確定度的計(jì)算。

以某電子天平為例：型號(hào)為ME4002；最大稱量為4200g；可讀性為0.01g；重復(fù)性為0.01g；線性誤差為0.02g。

由以上參數(shù)及電子天平檢定規(guī)程可知，實(shí)際分度值d=0.01g，取檢定分度值e=10d=0.1g。

檢定分度數(shù) n=Max/e=4.2×104。

天平準(zhǔn)確度等級(jí)為 II級(jí) e≥0.1 g，5×103≤n≤1×105。

其最大允許誤差為±1.0e，即±0.01g。

以某被測(cè)物體m為例，在天平對(duì)物體進(jìn)行稱量時(shí)，假設(shè)天平讀數(shù)為n，則有

m=n，u（m）=u（n）

假設(shè)天平的線性誤差引入的不確定度符合均勻分布，已知用天平進(jìn)行稱量時(shí)，其線性誤差是其不確定度的主要來(lái)源。所以，在不知道天平不確定度時(shí)，可以用天平最大允許誤差除以作為電子天平的不確定度估算，即根據(jù)天平等級(jí)，檢定數(shù)及檢定分度值進(jìn)行估算[7]。

2.2.4 其他要求

選購(gòu)電子天平時(shí)除考慮其以上介紹主要參數(shù)外，還要考慮天平結(jié)構(gòu)、尺寸等是否滿足現(xiàn)場(chǎng)需要?，F(xiàn)代流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)多設(shè)有測(cè)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理。所以在選擇電子天平時(shí)要求天平電子系統(tǒng)具有通信功能和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，便于天平與系統(tǒng)相連等。

3 衡器檢定

3.1 衡器檢定方法

在使用量限范圍內(nèi)取10個(gè)均勻分布點(diǎn)，用標(biāo)準(zhǔn)砝碼從J=1逐步加載到J=10，完成第一次測(cè)試；再?gòu)腏=10逐步卸載到J=1，完成第二次測(cè)試。分別記錄下加載質(zhì)量m1、卸載質(zhì)量m2、衡器讀數(shù)Rm和空容器衡器讀數(shù)的平均值R0，計(jì)算各檢測(cè)點(diǎn)的不確定度，取最大值為電子天平的不確定度[5]。

第j點(diǎn)單次測(cè)量A類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

第j點(diǎn)B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

式中：Δmi——負(fù)載（mj+R0）時(shí)第j點(diǎn)第i次測(cè)量差值，

Δmi=Rmi-（mj+R0），kg；

Δm——第j點(diǎn)的平均值，kg；

mj——第j點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量，kg；

Rmi——質(zhì)量為mi的標(biāo)準(zhǔn)砝碼第i次測(cè)量時(shí)電子天平的讀數(shù)，kg。

3.2 檢定實(shí)例

以某單位滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置用150kg電子天平為例，天平型號(hào)：KCC150s，編號(hào)：3078087，制造廠家：德國(guó)。

表2 電子天平檢定數(shù)據(jù)表

R0=50.00kg。檢定數(shù)據(jù)如表2所示。

A類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為s2=0.003%。

B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u2=0.006%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了衡器選擇的方法技巧，提出對(duì)液體流量標(biāo)準(zhǔn)各需求參數(shù)的估算方法及對(duì)電子天平的選擇要求，以期能夠很好地指導(dǎo)稱重式液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)衡器的選擇。

[1]蘇彥勛，梁國(guó)偉，盛健.流量計(jì)量與測(cè)試[M].2版.北京，中國(guó)計(jì)量出版社，2007.

[2]仝衛(wèi)國(guó)，李國(guó)光，蘇杰，等.計(jì)量測(cè)試技術(shù)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2006：146-168，227-247.

[3]王池，王自和，張寶珠，等.流量測(cè)試技術(shù)全書(shū)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[4]錢(qián)振華.淺談電子天平的選擇和使用[J].化學(xué)分析計(jì)量，2010（5）：76-78.

[5]JJG 164—2000液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2000.

[6]JJG 1036—2008電子天平檢定規(guī)程[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2008.

[7]唐勝睦.檢定砝碼用電子天平的選擇[J].上海計(jì)量測(cè)試，2013（1）：47-48.