变水头水流量标准装置的校准及不确定度分析

朱碧玉 徐煦 刘贝贝 张进明 刘夷平 陈超 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

目前，大口径液体流量计承担着企业生产用水、城镇生活用水以及污水排放等流量计量任务[1]。根据目前国家检定规程，一般使用静态容积法水流量标准装置或静态质量法水流量标准装置检定流量仪表。由于这类装置建立在定常流动的基础上，装置中需要包含一个稳定的压力源（一般使用高位水塔或稳压容器实现）。这类水流量标准装置的扩展不确定度一般可以优于0.05%（k= 2）。但是这类水流量标准装置在检定大口径（大流量）液体流量计时存在局限。首先，在检定过程中为保持恒压，高位水塔必须保持持续供水的满溢状态，所以能耗大，装置效率低；其次，由于工艺、造价、能源等因素的影响，这类装置的管径、流量均受到一定限制，一般使用多表并联组合的标准表法流量标准装置来检定大口径流量计，检定的过程中多了标准表，明显增加了测量不确定度。

基于变水头原理的动态容积法水流量标准装置克服了上述水流量标准装置的缺点，在降低能耗和水资源的有效利用方面具有明显优势。本文介绍了变水头水流量标准装置的组成和工作原理，并对装置的不确定度进行了评定。

1 变水头水流量标准装置的组成

变水头水流量标准装置的组成[2]如图1所示，主要包括水塔、液位计、温度传感器、压力传感器、整流器、连接测试设备（换向器和电子秤）阀门、自动排气阀、气动关闭阀、排水阀、流量调节阀、水池、被检表、转换器和计算机等。

2 变水头水流量标准装置的工作原理

水塔上每两个液位计间的容积称为一个标准容积段，水塔由若干个标准容积段组成。这些标准容积段的值已经预先通过标定得到。变水头水流量标准装置工作时，随着水塔中的水位下降，流量也会下降，为了使流量基本保持恒定，需要对流量进行调节，即不断地增加流量调节阀的开度[3]。

图1 变水头水流量标准装置的组成

水位下降的过程中，若t1时刻水位在L1液位计处，t2时刻水位在L2液位计处，计时器可以分别测得这两个时间。水流经过被测表时的流量经转换器转换为脉冲输出，由积算器累积，可以得到被测表的测得体积值Vm：

式中：N—— 这段时间的累积脉冲数；

K—— 被测表的脉冲系数，L-1

经过修正后，可得到被测表的示值误差δ：

式中：β—— 水塔的热膨胀系数，℃-1；

θ—— 水塔内的液体温度，℃；

Vs—— 预先标定好的标准容积值，L

此时的瞬时流量Q为

3 变水头水流量标准装置的校准方法

变水头水流量标准装置的校准项目[4]主要包括电子秤的校准、标准表脉冲系数的校准、水塔容积段的校准、换向器的校准、液位计动态效应和装置的稳定性。

其中比较重要的是水塔容积段的校准。由于水塔容积较大，不方便直接用标准金属量器进行校准，可以采用标准表法，先用静态质量法水流量标准装置对标准表进行标定，随即用标准表对水塔容积进行标定。

4 变水头水流量标准装置的不确定度分析

变水头水流量标准装置的不确定分量[5]如表1所示。

表1 变水头水流量标准装置的不确定分量一览表

4.1 塔热膨胀系数的不确定度

由于温度的改变，水塔会产生胀缩现象。水塔的热膨胀系数为β= 33×10-6℃-1，根据经验估计得到β的相对扩展不确定度为Ur(β) = 10%，若服从均匀分布，则塔热膨胀系数的相对标准不确定度为

灵敏系数为

4.2 液体温度的不确定度

当水塔内液体温度在（20±5）℃时，可以不进行温度修正，取θ= 20 ℃，得到θ的相对扩展不确定度为Ur(θ) = 5/20 = 25%。若服从均匀分布，则水塔中液体温度的相对标准不确定度为

灵敏系数为

4.3 电子秤的不确定度

用静态质量法水流量标准装置标定标准表时会引入电子秤的不确定度。以1 000 kg的电子秤为例，若其扩展不确定度为U= 0.19 kg（k= 2），则电子秤的相对标准不确定度为

其灵敏系数为1。

4.4 容积标定重复性的不确定度

在标定水塔容积段时，标定的重复性会引入不确定度。在相同的测量情况下，对某容积段进行10次标定，得到10个数据，计算得到它们的标准差为sv，根据A类不确定度评定方式，容积标定重复性的不确定度为

其灵敏系数为1。

4.5 换向器的不确定度

换向器的校准应该分别在最大流量、常用流量和最小流量下进行，得到各流量点的换向器不确定度后，取其中最大值作为该换向器的不确定度。

换向器换入行程和换出行程的差，换向阀和开关阀的启停效应都会对测量产生影响，这里引入换向器的不确定度。一般情况下，换向器的检定可以采用流量计法或行程差法，由于行程差法应用较多，在此以行程差法为例进行说明。

设装置一次测量最短时间为30 s。通过流量调节阀调整流量至预定值，待流量稳定10 min后，操作换向器n次，分别记录下每次的换入时间t1i和换出时间t2i。计算得到换入时间的平均值tin和换出时间的平均值tout。这里以n= 10为例。

换向器的换入和换出的时间差引起相对标准不确定度为

换向器的A类标准不确定度为

换向器的合成标准不确定度为

其灵敏系数为1。

4.6 液位计动态效应的不确定度

水塔中液面的扰动和液位计触发反应的不一致，都会影响分段标准容积测量的准确度，这里引入液位计动态效应的不确定度。设装置一次测量最短时间为tmin，将两个液位传感器固定在同一水平面上，使其由上升的液体同时触发，分别记录触发时间tc1和tc2。当最短时间tmin= 30 s，触发时间tc1= 24.5 ms，tc2= 20 ms时，液位计动态效应不确定度为

其灵敏系数为1。

4.7 标准表重复性的不确定度

用静态质量法水流量标准装置标定标准表时，标准表的重复性会引入不确定度。在相同的测量情况下，对标准表进行10次标定，得到10个脉冲系数，计算得到它们的标准差为ss，根据A类不确定度评定方式，标准表重复性的不确定度为

其灵敏系数为1。

4.8 装置的扩展不确定度

将上述7个不确定分量合成，得到变水头水流量标准装置的合成标准不确定度为

其中

Z=ur2(m) +ur2(V) +ur2(H) +ur2(d) +ur2(S) （17）

则装置的扩展不确定度为

Urel= 2urel= 0.06% （k= 2） （18）

5 结语

综上所述，本文阐明了变水头水流量标准装置在降低能耗和水资源的有效利用方面具有明显优势，介绍了该装置的整体系统组成和工作原理。根据装置的校准方法，列举了其不确定度来源并逐一分析，最终得到装置的扩展不确定度为0.06%（k= 2），所以该装置可以用来校准0.2级的大口径液体流量计。