质量法水流量标准装置称重部分改进及设计建议

陆浩 刘昆 孙鹏飞 赵娟 朱俊 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

流量标准装置是对流量仪表进行量值传递的标准，它主要用于测试流量仪表的准确度、重复性、线性度、稳定度、范围度、过载能力、可靠性等。流量标准装置的准确度等级一般有0.05%、0.1%、0.2%、0.5%等几个等级。按工作原理可分为质量法、容积法和标准表法等。质量法又可分为静态法和动态法两种，由于静态法可以消除流体的剩余动能的影响，精度更高，因此较多的企业会选择此类标准装置。静态质量法流量标准装置主要由衡器、容器、换向器、试验管路、水池、水泵、稳压系统和计时器组成。其工作原理是根据测量所得的水质量和时间，计算水瞬时质量流量。

式中：qm—— 瞬时质量流量，kg/h；

M—— 水质量，kg；

t—— 测量时间，s

衡器作为流量标准装置的核心设备，其计量性能直接影响整套装置的合成不确定度。目前开展检定或校准工作时，多数企业采用的方法是在容器的顶端或衡器的秤台任意空闲部分放置标准砝码。但由于流量标准装置一般整合得比较紧凑，标准砝码堆叠数量很难达到衡器最大秤量，因此想要得知衡器误差是否在允许的范围之内就变得困难起来。另外，采用叠加方式将砝码叠加至最大秤量，在叠加的过程中，参与堆叠标准砝码的人员安全存在极大隐患，很多流量计生产企业在年检的时候往往为此伤透脑筋。大部分企业碰到年检的时候只好将衡器从整套装置中拆下，这种方法不但繁琐，且需耗费很大人力物力。甚至还有些企业的流量标准装置装配过度密集，根本无法拆卸。由于流量标准装置一次性投资较大，企业不可能为了衡器检定困难而重新购置整套流量标准装置。因此，对于称重部分进行一定程度的改造，是一种较为可行的方式。

1 改造方案

1.1 方案1

支架架空（图1）。

利用铁架使容器和衡器之间保持一定间隔。称量测试时，可将砝码放置在此间隔中。这样做虽然可以妥善解决各种计量性能测试问题，但并不适合大型流量标准装置，因为铁架的承载力始终是有限的，无法承受容器灌满水之后的质量，而过度加大铁架承载力又会限制砝码叠放空间。

图1 支架架空

1.2 方案2

加焊裙边（图2）。

如果在容器的周围加焊上裙边，加上裙边后的容器直径不得超过秤台的面积，裙边的数量根据标准砝码数量的需要增加。称量测试时，除了堆叠在容器上方或者衡器秤台空闲位置，还可以堆叠在加焊的裙边上（但每圈裙边可加载标准砝码数量不可超过裙边可承受的最大安全质量）。此种改造方式对于容器周围的剩余空间要求较大，较为适合液体容器单独放置的流量装置。

图2 加焊裙边

1.3 方案3

安装吊篮（图3）。

对于容器被架在较高处的流量装置，不建议在容器的顶端或是其他位置加载标准砝码，以免标准砝码坠落造成人员伤亡和标准器损坏或是容器受压变形。因此建议对衡器秤台进行改造，即在衡器下方安装吊篮，吊篮上焊接4条铁链，并与传感器各支点连接。堆叠标准砝码时，可将大部分标准砝码放置在吊篮内。改造的时候注意放置衡器的框架强度，要足以承受最大秤量的标准砝码以及衡器等组件的自重。

图3 安装吊篮

1.4 方案4

加焊支点（图4）。

如果锥形底部的容器（图5），无法有效叠加砝码，可在容器内壁加焊几个支点。称量测试时，可以在这些支点上架设平板以形成一个平面，然后在这个平面上叠加砝码。对于大型衡器，容器应改造成多层平板，以此降低每一层平板受力程度。

图4 锥形底部的容器

1.5 方案5

抽离容器。

在容器上焊上多个有效支点（图6），平时对容器并不起到任何支撑作用。每次称量测试时，通过专用支架将容器顶起并分离出来。此类改造适合衡器秤台较为接近地面的流量装置，而且空间要求较高，一般适合大型流量标准装置，尤其是现场不具备起吊设施的情况。

图6 抽离容器

2 衡器检定及校准

在对衡器进行检定或校准时，所使用的标准砝码不确定度应优于衡器不确定度。

2.1 置零及除皮准确度

置零后或者是除皮后，置零装置和皮重（除皮）装置对称量结果的影响应在±0.25e范围内，对于多分度秤e应为e1（不少流量企业使用的是双分度或多分度衡器）。

2.2 偏载误差

将接近1/3最大秤量的标准砝码依次放置在衡器的每个支承点上。对于承载器的支承点个数N≤4的秤，在每个支承点施加标准砝码约等于最大秤量与最大添加皮重之和的1/3。对于承载器的支承点个数N＞4的秤，在每个支承点上施加的标准砝码约等于最大秤量与最大添加皮重之和的1/（N-1）。结果应满足同一标准砝码在不同支承点的示值，其误差应该不大于秤在该载荷下最大允许误差。

2.3 称量测试

至少取10个均匀分布点（j= 1，2，3，…，m，m≥10），除了客户要求的载荷测试点外，还应包括最小秤量、最大秤量、以及最大允许误差改变的载荷值。用标准砝码从j= 1逐步加载到j=m，完成第一次测试；再从j=m逐步卸载到j= 1，完成第二次测试，直至n次测试结束。每次加载、卸载分别记录各点砝码质量和衡器显示器示值，以及使用闪变点法所需小砝码质量值。然后，根据JJG 539-2016《数字指示秤》检定规程中7.5.5计算误差。开具检定报告，误差需满足表1要求。

表1 最大允许误差

2.4 除皮后的称量

根据数字秤规程要求对于扣除皮重，应选择1/3最大皮重到2/3最大皮重之间的一个皮重值。除皮后的称量检定应至少选择5个不同的载荷。所选定的载荷点，应包括：最小秤量、最大净重值、最大允许误差改变的载荷值。若秤具有零点跟踪装置可在本检定中运行。除皮后，示值误差应符合数字秤检定规程5.4要求。

2.5 重复性

《液体流量标准装置检定规程》要求的加载或卸载次数之和至少为10次（实际得到至少5组加载卸载数据），所以每个载荷测量点都可得出其对应的重复性误差。如开具检定报告，只需选取约50%最大秤量的载荷测试数据。对任意相邻三次测试所得到的数据进行差值比较，结果应该满足JJG 539-2016中5.5要求，即同一载荷多次称量结果的差值，应不大于秤在该载荷下最大允许误差的绝对值。

2.6 鉴别阀

在处于平衡状态的衡器任意可以称量的位置，轻缓地放上或取下一个等于实际分度值1.4倍（1.4d）的附加载荷，此时秤的示值应发生明显的改变。JJG 539-2016中第5.8条。

2.7 校准数据

对于校准报告，可根据10组数据求得A类相对标准不确定度及B类相对标准不确定度。如下：

衡器的不确定度

负载 (mj+R0)时第j点第i次测量差值

Δmi=Rmi- (mj+R0)

式中：mj—— 第j点标准砝码的质量，kg；

Rmi—— 质量为mi的标准砝码第i次测量时衡器的示值，kg

R0—— 空容器n次测量衡器的示值平均值，kg

第j点的平均值

第j点单次测量A类相对标准不确定度

第j点B类相对标准不确定度

A 类相对标准不确定度s2= (s2j)max

B 类相对标准不确定度u2= (u2j)max

3 设计建议

1）衡器最好选用国际一线品牌，虽然一次性投入较大，但可靠性较好，维护或检定的时候更是可节省大量人力物力。如果经济实力有限，也可选用一些较为可靠的国产品牌，建议咨询当地专业机构专家。选用的衡器，需满足JJG 164-2000中4.3.3.1要求。有些企业为了追求所谓准确度，故意调高衡器准确度，这种准确度虚高的衡器，重复性可能会不合格，整套流量装置校出来的流量计准确度可想而知。

2）建议配备一定数量标准砝码（不锈钢为佳，且放置位置有防水措施），至少1/3最大秤量，并定期送专业机构进行年检。每年不定期对衡器进行自检，以确保整套装置运行正常可靠。

3）对于最大秤量较小的衡器，最好方便拆卸，因为拆下容器后进行单独检定或校准始终是最为稳妥的方法（但最好不要移动位置，只要能加载全量砝码即可）。容器材质最好视秤的最大秤量而定，大称量的最好选用金属容积桶，对于不便拆下的容积桶，桶的顶部做封闭处理并加强内部结构，确保在检定的时候可以堆叠一定数量的标准砝码。

4）对于高准确度的衡器，各套流量装置之间保持适当距离，确保开启时不会因产生的振动互相影响。有必要的话，还须配备风罩，以防风对准确度的影响。

5）摆放衡器的底座需加强，千万不可简单焊一个铁架。建议用平整的水泥墩或大理石台，确保基座坚固牢靠。

6）衡器摆放的位置尽量不要过高，建议稍稍高于地面即可。容器过高的话，日后无论是检定还是施工作业，安全隐患巨大。

7）流量装置管线较多，大多是裸露或者悬空，一旦贴到衡器的某些部位，就有可能会影响衡器的称量性能。建议把管线统一捆绑，有些实在无法捆绑在一起的管线保持一定距离，确保不会碰到衡器产生附加力（详见JJG 164-2000中4.3.1.2条）。

4 注意事项

1）有些企业，想到了一种较为折中的方法（内部自检）。首先，确保容器内无任何液体，再将衡器置零。准备一定数量标准砝码，然后尽可能加放在液体流量装置的称重部分（秤台空闲位置、容器上方或内部等，确保标准砝码不会滑落，并可以尽快保持稳定）。以1.5 t/0.5 kg的衡器为例，首先，将300 kg标准砝码全部加到液体容器（或任何空闲承载位置）上，称重显示器将显示300.0 kg。记下数据后，取下全部300 kg的标准砝码，再放水到容器内，直到称重显示器显示的质量值为300.0 kg。一段时间后，如示值可以稳定下来，再加300 kg标准砝码到容器上，称重显示器上应该显示为600.0 kg。待稳定之后，再次取下300 kg标准砝码，然后再放水到容器内，使该容器的称重显示器显示为600.0 kg。按上述方法，对300 kg标准砝码和水不断进行替换，直到最大量程1.5 t，记录下每次显示的值（如需其他秤量点可根据需要调整所加载标准砝码数量获得）。如若每次数据和用水替换300 kg标准砝码前都无差异，即视该液体流量标准装置的称重部分合格可用。从专业的角度来看此类方法，即便是存在一定误差，但对于企业不定期自检是非常有帮助的。

2）对于替代法，如果标准砝码数量可叠加至50%最大秤量，就可以测量衡器的重复性。但用水来当替代物的方法不可行，因为根据《数字指示秤检定规程》要求，水并不是一个质量稳定的载荷（水残留在容器内等情况）。

3）每次检定的时候，容器中的液体需排空，以免加上最大秤量标准砝码后，称重传感器超载损坏或是对检定装置结构产生损伤。另外，对于把砝码放置在容器内部的情况，检定工作开始前，必须保持容器内部干燥，以免损坏标准器。

5 结语

流量标准装置称重部分采用上述方法改造后，衡器可堆叠砝码数量有所增加，如表2所示。堆叠过程中人员安全问题得到解决，衡器称量性能准确性也大大提高。

表2 改造方案总结