液体小流量标准装置设计及不确定度评定

洪宇舟

（广州能源检测研究院，广东 广州 511447）

由于小流量液体本身的特殊性质和测量设备的限制，液体小流量的准确测量一直是一个技术难题[1]。为解决液体小流量测量的问题，设计合理的液体小流量标准装置并对其不确定度进行评定十分重要。液体小流量标准装置的设计应该考虑流量范围、测量精度和稳定性等因素，并采用合适的测量原理和传感器进行测量[2]。而不确定度评定则是对液体小流量标准装置进行性能验证的重要环节，通过评定不确定度可以评估装置的测量准确度和可靠性。该文介绍了液体小流量标准装置的设计及不确定度评定方法。首先，将详细介绍液体小流量的特性和测量原理，包括流量范围、流体性质以及流量传感器等。其次，根据液体小流量的特点，提出一种基于原理的设计方案，并详细描述装置的结构和工作原理[3]。再次，将介绍如何对液体小流量标准装置进行不确定度评定，包括不确定度来源的分析和评估方法。最后，将讨论液体小流量标准装置设计及不确定度评定的意义与应用前景。

1 目前液体小流量标准装置设计中的问题

目前，液体小流量标准装置设计中存在的问题如下：1）流量调节系统不够精确。在液体小流量标准装置中，流量调节系统的准确性和稳定性至关重要。然而，目前设计中的流量调节系统存在精度不高、稳定性差的问题，导致无法满足针对小流量范围的精确流量调节要求[4]。2）换向设备的切换速度较慢。在液体小流量标准装置中，换向设备用于切换检定流量。然而，目前设计中的换向设备存在切换速度较慢的问题，导致检定过程中切换时间延长，影响效率和准确性。3）装置结构复杂、操作烦琐。目前液体小流量标准装置设计中存在结构复杂、操作烦琐的问题，可能会导致操作人员难以快速掌握和操作装置，增加了操作风险，降低了工作效率。

2 液体小流量标准装置设计及不确定度评定优化

2.1 装置设计原理

设立标准表法液体流量标准装置是一种常用的方法，用于检定小口径水、油流量计。该装置主要由标准液体流量计、试验管路、稳压液源、循环系统、控制设备以及数据采集处理系统组成[5]。设立原始液体流量标准装置是另一种常用方法，用于检定小口径水、油流量计。该装置由流量标准器、试验管路、稳压液源、循环系统、换向设备、控制设备以及数据采集处理系统组成。采用第二种方案来设计用于检定小口径水、油流量计的装置更合适。该方案的原理更灵活多样，可适用于不同液体介质，并具有较高的准确度。同时，它的移动性和便携性使其在不同场地间的使用更方便，可显著提高检定效率。因此，设立原始液体流量标准装置是一种可行且有效的选择。

2.2 装置设计指标

根据工业上常用微小流量计的口径，该文设计了2条检定管线，分别为DN15mm和DN25mm。为确保这些管线的质量和性能，选择国标304不锈钢无缝钢管作为其制作材料。该材料具有良好的耐腐蚀性和疲劳强度，能够在长期使用中保持稳定的性能。

为进一步提高管线的疲劳强度和耐腐蚀性，对管线的外表面进行喷砂哑光处理。该处理方式能够增加管线的表面粗糙度，使其更耐用，减少由腐蚀引起的性能下降。

根据工业上常用小口径流量计的流量范围，设计油装置的流量范围为0.2L/h～500L/h。为满足不同流量范围的检定需求，采用2个体积管为标准器。其中一个是100mL的体积管，另一个是8L的体积管。这样的设计能够覆盖从较小流量到较大流量的范围，确保各种流量计的检定要求。

根据最短测量时间不低于30s的原则，将100mL体积管的流量范围设定为0.2L/h～8L/h，将8L体积管的流量范围设定为7.5L/h～500L/h。这样的设计能够在满足准确度等级1.0级及以下小口径流量计的检定需求的同时，确保测量的准确性和可靠性。

水装置的流量范围设计为0.5L/h～1000L/h。为满足该流量范围，采用电子秤为标准器，其中一个是3kg的电子秤，另一个是15kg的电子秤。同样根据不同流量范围的需求，将3kg电子秤的流量范围设定为0.5L/h～100L/h，将15kg电子秤的流量范围设定为90L/h～1000L/h。这样的设计能够满足被检表的流量检定点的需求，并确保装置的扩展不确定度优于0.3%（k=2）。

根据工业上常用微小流量计的口径和流量范围，设计2条检定管线，并选用适当的材料和标准器。这样的设计能够满足准确度等级1.0级及以下小口径流量计的检定需求，并保证装置的扩展不确定度优于0.3%（k=2），为流量计的准确测量和使用提供可靠支持。

2.3 装置结构设计

装置结构图如图1所示，该装置的主要组成部分如下：1）储油箱（储水箱）。用于储存待检液体，并确保流量源的稳定供应。具有足够的容量，可满足长时间的检定需求。2）稳压系统。包括变频器和稳压罐等设备，用于控制并稳定可调的流量，以满足不同流量范围的检定需求。变频器可以根据需要调整流量源的输出速度，稳压罐可确保流量的稳定性。3）流量调节系统。用于调节流量大小，以满足被检表的流量检定点的要求。可以根据需要改变流量源的输出，以实现不同流量范围的检定。4）标准称重（体积管）系统。包括标准体积管和称重装置，用于准确测量流量，并作为标准器进行检定。标准体积管可以精确测量液体的体积，称重装置可以通过质量来确定流量。5）换向设备。采用智能气动换向器，用于切换检定流量，与检定时间和被检表信号（脉冲、电流及多媒体）严格同步。能够快速、准确地切换流量，确保检定的准确性。6）配套管路和各种阀门。用于连接各组件，确保流体的流动和控制。这些管路和阀门必须具备良好的密封性和耐压性，以确保系统的正常运行。7）变频调速系统。用于调节流量源的输出速度，以满足不同流量范围的检定需求。可以根据需要调整流量源的转速，以实现不同流量范围的检定。8）动力气线。用于提供动力支持，保证装置的正常运行。可以通过气压或电力提供动力，确保各组件正常工作。9）计量检测计算机控制系统。采用西门子S7-200 SMART PLC为硬件平台，英特尔i5-10500 CPU和64位Windows 10系统为软件实现平台。该系统用于控制和监测装置的运行状态，进行流量计检定和数据采集。10）数据采集运算和管理系统。用于对采集数据进行处理和分析，并提供结果输出和管理功能。该系统能够自动采集检定数据，并对其进行运算和分析，最终输出检定结果和报告。

图1 装置结构图

装置工艺流程图如图2所示。液体流量标准装置是一个用于检定、校准和检测不同类型流量计的设备，适用于被检表口径为DN15mm～DN25mm的流量计。该装置具备接收脉冲、电流和电压输出信号的功能，并通过FLUKE 8846A进行采集。同时，无发讯示值表头流量计的值由海康摄像机同步拍摄。此外，该装置还配备了计算机数据自动测控检定系统。该系统能够对数据进行综合测量、控制和运算处理，并根据相应的检定规程和版本格式自动生成检定记录。这样就能够确保检定过程的准确性和可靠性。该液体流量标准装置的设计和功能非常实用，能够对各种类型的流量计进行准确检定和校准，并能自动记录和处理检定数据，从而提供高效、可靠的检定结果。

图2 装置工艺流程图

2.4 装置不确定度评定

在不确定度评定中，该文采用了不同方法来评估计时器、电子秤和换向器的不确定度。为确保评定的准确性，分别使用符合准确度等级要求的标准流量积算仪、F2级标准砝码和行程差法进行重复性测量。

评估计时器时，将其与标准流量积算仪接入系统进行重复性测量。通过多次测量并计算标准差，可以得到计时器的重复性不确定度。该不确定度被分为2个部分，分别是A类和B类相对标准不确定度，表示测量结果的稳定性和重复性。这些不确定度符号分别为s1和u1。

评估电子秤时，使用F2级标准砝码进行重复性测量。通过多次测量并计算标准差，可以得到电子秤的重复性不确定度。与计时器类似，电子秤的重复性不确定度也分为A类和B类相对标准不确定度，符号分别为s2和u2。此外，还需要考虑砝码和分辨力引入的不确定度分量，分别为uF和uS。

评估换向器时，采用行程差法进行换向同步的重复性测量。通过多次测量并计算标准差，可以得到换向器的重复性不确定度。与上述2种设备类似，换向器的重复性不确定度也分为A类和B类相对标准不确定度，符号分别为s5、s6和u2。

需要注意的是，由于各不确定度分量间是不相关的，因此可以根据不确定度传播率的原理将这些不确定度分量进行合并计算，并得到最终的不确定度评定结果，用于评估测量结果的可靠性和准确性。可以使用如公式（1）所示的计算方法来合成水装置的不确定度ur。水装置不确定度见表1。

表1 水装置不确定度

通过上述计算方法，可以评估水装置的不确定度，并将其作为参考值来比较整个液体小流量标准装置的扩展不确定度。该评定方法能够提供装置性能的准确度，并为准确测量提供可靠依据。再根据正态分布计算水装置的不确定度，如公式（2）所示。

油装置的不确定度评定主要根据JJG209—2010中关于体积管重复性的内容。根据该规范，油装置使用计时器控制检定时间，并采用100mL和8L这2个体积管为标准器。在考虑现有检定规程的限制条件下，该文主要关注100mL和8L体积管的不确定度，不包括计时器引入的不确定度分量。为评定油装置的不确定度，使用质量法进行重复性测量，并使用不同精度的电子秤为标准器。重复性Er的值见表2。对体积管进行重复性计算，直到有限次测量的体积管标准容积值服从t分布。根据JJG209—2010规范中关于体积管的不确定度评定方法，体积管的不确定度计算如公式（3）所示。

表2 油装置不确定度

式中：uR为体积管的重复性不确定度；Er为体积管的重复性；n为重复测量的次数。

计算100mL和8L体积管的不确定度时，分别使用相应的重复性值和重复测量的次数。通过该计算可以得到100mL和8L体积管的不确定度值。取置信概率p=95%，可得k=tp（v）=2.26。因此，油装置的扩展不确定度uro的计算如公式（4）所示。

根据上述不确定度评定方法，可以得出油装置的不确定度评定结果，即扩展不确定度uro为0.019%。

3 液体小流量标准装置设计优化结果

经过试验和不确定度评定，移动式液体小流量标准装置已经完全符合最初的设计指标。通过对该装置进行一系列测试和验证，确认其性能和准确性均能达到预期要求。该装置能够胜任小口径流量计的检定、校准和检测工作。

在试验过程中，首先对移动式液体小流量标准装置进行功能验证，确保其能够稳定地产生小流量液体，并能够精确测量流量值。通过与其他精密标准设备进行比较，验证了该装置的准确性和稳定性。其次，进行一系列不确定度评定，以评估移动式液体小流量标准装置测量结果的可靠性和精确性。考虑各测量组件的不确定度分量，包括流量计、压力传感器和温度传感器等，将这些不确定度分量进行合并计算，得出最终的不确定度评定结果。

4 结语

移动式液体小流量标准装置的不确定度值在可接受范围内，并满足检定、校准和检测的相关要求。表明该装置可以准确测量和校准小口径流量计，能为用户提供可靠的流量测量服务，也进一步证明了整个装置设计合理、功能正常。该移动式液体小流量标准装置具备对小口径流量计进行准确检定和校准的能力，并可以应用于各种需要精准测量流量的场景。