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 概述

為了滿足不斷增長的天然氣流量計檢定的需求，中國計量行政管理部門授權(quán)建立了guojia石油天然氣大流量計量站及其成都分站、南京分站等十余個法定計量檢定機構(gòu)，在這些機構(gòu)內(nèi)都建立了天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。目前，已經(jīng)建成 3 套中高壓天然氣流量原級標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)建成和在建 23 套由臨界流噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，每年檢定和校準(zhǔn)的天然氣流量計 2 000 余臺次，中國的天然氣流量計量檢定技術(shù)水平和能力均處于國際先金行列。

 

多個機構(gòu)的多套天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的投運有效解決了貿(mào)易用流量計的檢定問題，但也出現(xiàn)了一個新問題，就是要如何有效地開展天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的管理，保證測量結(jié)果和檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。對天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置能力的驗證方法主要是期間核查和比對，本文僅對期間核查方法進行討論。 

 

2 影響流量計檢定結(jié)果準(zhǔn)確性的因素分析

2. 1 工作原理

采用標(biāo)準(zhǔn)表法天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定流量計的原理圖如圖 1 所示。圖中標(biāo)準(zhǔn)流量計 MM 和被檢流量計 MUT 用管道連接，在一定的時間間隔內(nèi)，流入標(biāo)準(zhǔn)流量計 MM 的質(zhì)量流量為 m1，流入被檢流量計 MUT 的質(zhì)量流量為 m2，min和 mout是因閥門泄漏等原因流入和流出檢定管路中的流量， Δm 是因過程參數(shù)變化引起的標(biāo)準(zhǔn)流量計和被檢流量計間管容內(nèi)質(zhì)量變化量，Q 為流量計測量的體積流量 m3，p 和 T 是流量計處天然氣的壓力 Pa 和溫度 K，下標(biāo) s 表示標(biāo)準(zhǔn)流量計處的參數(shù)，下標(biāo) m表示被檢流量計處的參數(shù)。

依據(jù)流體流動的連續(xù)性原理可得:

根據(jù)氣體狀態(tài)方程可得:

式中: V 為附加管容的容積，m3 ; p、Δp 分別為附加管容內(nèi)天然氣壓力和變化量，Pa; T、ΔT 分別為附加管容內(nèi)天然氣溫度和變化量，K; M 為天然氣的摩爾質(zhì)量，kg /kmol; Z 為天然氣的壓縮因子， 1; Ｒ 為通用氣體常數(shù)，kJ/( kmol·K) 。

 

目前常用的流量計多數(shù)是測量體積流量。被檢流量計的示值誤差用式 ( 3) 計算

式中: Qs，m為標(biāo)準(zhǔn)流量計測量的流量換算到被檢流量計工況條件下的流量值，m3。

 

如果檢定管路系統(tǒng)沒有因閥門泄漏引起的匯流或漏流，且當(dāng)流動達到穩(wěn)定狀態(tài)時，有 min = 0， mout = 0，Δm = 0，所以 m1 = m2。亦即，只有這時才能保證流過標(biāo)準(zhǔn)流量計和被檢流量計的量值相等，用式 ( 3) 計算的示值誤差才能真實反映被檢流量計的性能。

 

2. 2 影響流量計檢定結(jié)果的因素分析

在實際過程中，很多因素都會對流量計的檢定結(jié)果產(chǎn)生影響，可歸納為如下三個方面。 

( 1) 工藝設(shè)備完好性的影響。如果閥門存在泄漏，或是連接法蘭存在泄漏，則式 ( 1) 中 min ≠0，或 mout ≠0，從而影響被檢流量計的測量結(jié)果。

( 2) 工況參數(shù)穩(wěn)定性的影響。如果檢定過程中，如果工藝參數(shù)不穩(wěn)定，或是操作人員經(jīng)驗不足，造成工況參數(shù)變化時，則式 ( 2) 中 Δp≠0， 或 ΔT≠0，所以 Δm≠0，從而影響被檢流量計的測量結(jié)果。以某實驗室標(biāo)準(zhǔn)表法天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為例，當(dāng)檢定過程中附加管容中的溫度變化0. 2 ℃，或壓力變化 5 kPa 時，引起的被檢流量計示值誤差變化的覺對值可達 0. 07%［1］。

 ( 3) 計量器具測量不準(zhǔn)確帶來的影響。如果標(biāo)準(zhǔn)流量計測量不準(zhǔn)確，或是溫度和壓力等輔助測量儀表測量不準(zhǔn)確，都會影響用式

( 4) 計算的換算到被檢流量計處體積量值的準(zhǔn)確性，進而影響流量計的檢定結(jié)果。測量結(jié)果不準(zhǔn)確不一定是計量器具本身的問題，還可能是因安裝條件或環(huán)境條件造成的。以某實驗室標(biāo)準(zhǔn)表法天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為例，當(dāng)被檢流量計處溫度測量誤差為0. 2 ℃，或壓力測量誤差為 5 kPa 時，引起的被檢流量計示值誤差變化的覺對值可達 0. 1%［1］。

 

可見，天然氣流量計的檢定結(jié)果受工藝設(shè)備完好性、工況參數(shù)穩(wěn)定性和計量器具測量準(zhǔn)確性等多種因素的影響。為了保證天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確性和檢定結(jié)果的可靠性，對這些影響因素都必須進行嚴(yán)格監(jiān)視和控制。 

 

3 存在的問題

 

目前，國內(nèi)外還沒有關(guān)于天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置期間核查的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各計量檢定機構(gòu)開展期間核查的做法也不統(tǒng)一和規(guī)范，存在的主要典型問題如下。

 ( 1) 管理不規(guī)范。有的實驗室沒有建立期間核查的制度，或是沒有配備期間核查標(biāo)準(zhǔn)，或是期間核查的工作開展沒有計劃、不夠規(guī)范。

 ( 2) 將對標(biāo)準(zhǔn)流量計的校準(zhǔn)視為期間核查。由前面的討論分析可知，對計量器具實施檢定或校準(zhǔn)，只能解決計量器具測量的準(zhǔn)確性問題，并不能完全包含閥門設(shè)備和操作條件的影響。例如，檢定流量計的工藝流程與檢定標(biāo)準(zhǔn)流量計的流程是不一樣的。

 ( 3) 將用安裝在標(biāo)準(zhǔn)流量計上游的核查表對標(biāo)準(zhǔn)流量計的測試結(jié)果視為期間核查。用該種方法只能是對標(biāo)準(zhǔn)流量計性能進行監(jiān)視的一種手段，不能監(jiān)視整個裝置的性能。例如，該核查結(jié)果中不會包含式 ( 1) 、 ( 2) 和 ( 4) 中附加管容和被檢流量計處工況參數(shù)測量準(zhǔn)確性的影響。

 ( 4) 對流量標(biāo)準(zhǔn)裝置期間核查的評價指標(biāo)不全面。僅按 JJF 1033 的要求考慮了計量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性和穩(wěn)定性，而忽視了選用不同的標(biāo)準(zhǔn)流量計檢定結(jié)果不一致的問題。筆者在對多個實驗室的天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進行建標(biāo)考核時，發(fā)現(xiàn)有的實驗室用不同標(biāo)準(zhǔn)流量計在相同條件下對同一臺被檢流量計的測試結(jié)果的偏差超過 0. 5% ，遠大于標(biāo)準(zhǔn)裝置的測量不確定度。

 ( 5) 期間核查的流量范圍沒有涵蓋流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量測量范圍。有的實驗室只是在幾個流量點進行了測試，沒有對流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的#小和#大流量進行測試，也沒有對每臺標(biāo)準(zhǔn)流量計的#小和#大工作流量進行測試，而計量標(biāo)準(zhǔn)的#小流量基本都是在標(biāo)準(zhǔn)流量計的分界流量以下，測量不確定度會增大，存在用不同標(biāo)準(zhǔn)流量計測量結(jié)果不一致的可能性比較大。 

( 6) 用比對代替期間核查，概念混淆。在 JJF 1001 中，給出比對的定義是在規(guī)定條件下，對相同準(zhǔn)確度等級或指定不確定度范圍的同種測量儀器復(fù)現(xiàn)的量值之間比較的過程，其目的是考察不同實驗室或計量標(biāo)準(zhǔn)測量量值和出具測量結(jié)果的準(zhǔn)確一致的程度; 而期間核查的定義是根據(jù)規(guī)定程序，為了確定計量標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或其他測量儀器是否保持其原有狀態(tài)而進行的操作，其目的是防止由于標(biāo)準(zhǔn)的失準(zhǔn)造成傳遞的失準(zhǔn)，并有效縮短失準(zhǔn)后追溯的時間。二者的概念和目的是不一樣的，做好期間核查是開展比對的基礎(chǔ)。由此可見，制定和規(guī)范天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置期間核查的方法具有重要作用和意義。

 

 4 期間核查的實施

本文僅針對開展天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置期間核查的特殊要求進行探討，通用要求可參照 CNAS- GL042。在開展天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的期間核查時，建議考慮如下問題。

 

4. 1 制定管理制度

實驗室應(yīng)當(dāng)按照 JJF 1069 的要求編制程序文件，明確天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置期間核查的計劃、方法、結(jié) 果 評 估、核查標(biāo)準(zhǔn)保存和數(shù)據(jù)存檔等內(nèi)容。 

 

4. 2 引入流量標(biāo)準(zhǔn)裝置復(fù)現(xiàn)性的概念

在 JJF 1033 中有對計量標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)性和穩(wěn)定性測試的要求，但不能對天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中用不同標(biāo)準(zhǔn)流量計測量結(jié)果的一致性進行評價。本文創(chuàng)新地給出了流量標(biāo)準(zhǔn)裝置復(fù)現(xiàn)性的概念和技術(shù)指標(biāo)。在 JJF 1001 中給出的測量復(fù)現(xiàn)性定義是在復(fù)現(xiàn)性條件下的測量精密度，復(fù)現(xiàn)性測量條件是不同地點、不同操作者、不同測量系統(tǒng)，對同一或類似被測對象重復(fù)測量的一組測量條件。在本文件中流量標(biāo)準(zhǔn)裝置復(fù)現(xiàn)性是指用天然氣流量計量標(biāo)準(zhǔn)中不同標(biāo)準(zhǔn)流量計或其組合對核查標(biāo)準(zhǔn)測試結(jié)果的一致性，用核查標(biāo)準(zhǔn)示值誤差的差值進行評價。 

 

4. 3 核查標(biāo)準(zhǔn)的配備

( 1) 核查標(biāo)準(zhǔn)的性能。由于流量是個動態(tài)量，沒有公認(rèn)的固定的標(biāo)準(zhǔn)，所以，核查標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。原則上講任何一種能證明計量性能相對穩(wěn)定且輸出信號可以被天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)接收的流量計都可以用作核查標(biāo)準(zhǔn)。目前，常用的流量計是渦輪流量計和超聲流量計。小流量可選容積式流量計。

 

 ( 2) 核查標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度等級。應(yīng)盡量選擇性能穩(wěn)定的流量計作為核查標(biāo)準(zhǔn)。建議選用的核查標(biāo)準(zhǔn)的流量計的準(zhǔn)確度等級不低于天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中標(biāo)準(zhǔn)流量計的準(zhǔn)確度等級。

 

 ( 3) 核查標(biāo)準(zhǔn)的測量范圍。核查標(biāo)準(zhǔn)的流量測量范圍應(yīng)覆蓋天然氣流量計量標(biāo)準(zhǔn)裝置中每臺標(biāo)準(zhǔn)流量計的#小工作流量和#大工作流量。宜至少配備一套大口徑核查標(biāo)準(zhǔn)，其流量范圍覆蓋天然氣流量計量標(biāo)準(zhǔn)裝置的#大流量。如配備多套核查標(biāo)準(zhǔn)，宜由工作原理不同的流量計構(gòu)成，兩套核查標(biāo)準(zhǔn)間宜有部分重疊的測量測量范圍，以便相互驗證。 

 

( 4) 核查標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計壓力。核查標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計壓力應(yīng)不低于天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置工藝管道的設(shè)計壓力。

 

( 5) 核查標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)。核查標(biāo)準(zhǔn)宜做成一個組件，即應(yīng)包括流量計及其上下游直管段和整流器，且核查標(biāo)準(zhǔn)的流量計及其上下游直管段和整流器應(yīng)作為一個組件采用固定安裝方式，組件應(yīng)有吊點和防傾倒措施。由渦輪流量計構(gòu)成的核查標(biāo)準(zhǔn)的安裝條件應(yīng)符合 GB /T 21391 的要求，上游直管段不少于 10D，在 5D 處安裝管束式流動整流器，下游直管段 5D。由超聲流量計構(gòu)成的核查標(biāo)準(zhǔn)的安裝條件應(yīng)符合 GB /T 18604 的要求，上游直管段不少于 20D，在 10D 處安裝板孔式流動整流

器，下游直管段 10D。

 

 (6) 核查標(biāo)準(zhǔn)的保存。核查標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)妥善保管，應(yīng)有固定的包裝箱存放和運輸。應(yīng)使可能影響核查標(biāo)準(zhǔn)計量性能的環(huán)境條件都能滿足要求，如溫度、濕度、電磁場、振動等。應(yīng)盡量避免核查標(biāo)準(zhǔn)用于其它與期間核查無關(guān)的活動，以便保證核查標(biāo)準(zhǔn)的計量性能。 

 

4. 4 期間核查的實施

( 1) 實施期間核查的時機。對天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置期間核查宜采取定期核查與不定期核查相結(jié)合的方式，不應(yīng)限于標(biāo)準(zhǔn)流量計兩次校準(zhǔn)間進行。考慮到流量測量的復(fù)雜性，建議在標(biāo)準(zhǔn)流量計及輔助儀表校準(zhǔn)后即進行一次期間核查; 在兩次校準(zhǔn)之間，或是懷疑標(biāo)準(zhǔn)裝置性能有變化時，或是當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定或校準(zhǔn)重要的流量計時，或是移動式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置用于外出開展檢定或校準(zhǔn)任務(wù)或從外出開展檢定或校準(zhǔn)任務(wù)回到實驗室時，宜實施期間核查。

（ 2) 核查標(biāo)準(zhǔn)的安裝位置。為了能在期間核查的結(jié)果中包含由計量器具準(zhǔn)確性、工藝設(shè)備完好性和操作正確性等各種因素的影響，建議在進行期間核查時將核查標(biāo)準(zhǔn)安裝在被檢流量計的測試臺位上。

 ( 3) 期間核查測試的對象。期間核查測試的對象包括對流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中單臺標(biāo)準(zhǔn)流量計測試和多臺標(biāo)準(zhǔn)流量計組合測試。

 ( 4) 期間核查的技術(shù)指標(biāo)。流量標(biāo)準(zhǔn)裝置技術(shù)指標(biāo)包括對每臺標(biāo)準(zhǔn)流量計及標(biāo)準(zhǔn)流量計組合的重復(fù)性、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性。在用同yiliu量點下，用核查標(biāo)準(zhǔn)示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差計算重復(fù)性; 用不同標(biāo)準(zhǔn)流量計或標(biāo)準(zhǔn)流量計組合測得的核查標(biāo)準(zhǔn)示值誤差的#大偏差計算復(fù)現(xiàn)性; 用一段時間內(nèi)同一標(biāo)準(zhǔn)流量計或標(biāo)準(zhǔn)流量計組合兩次測試核查標(biāo)準(zhǔn)示值誤差的差值計算穩(wěn)定性。

 ( 5) 期間核查的流量點。選擇的核查流量應(yīng)至少可對標(biāo)準(zhǔn)裝置中每臺標(biāo)準(zhǔn)流量計工作的#小流量和#大流量進行測試。對于單臺標(biāo)準(zhǔn)流量計測試，宜至少選擇 3 個流量點，即工作的#小流量 qmin、工作的#大流量 qmax，以及#小流量和#大流量之間的一個流量點，實驗室可以根據(jù) 標(biāo) 準(zhǔn)表的性能選 擇 流 量 點，tuijian選用標(biāo)準(zhǔn)表的分界流量 qt 或是 0. 4qmax ; 對于多臺標(biāo)準(zhǔn)流量計的組合測試，宜 至 少 選 擇 3 個 流 量 點，即 組 合 測 量的#大流量 點、#小流量點及#大流量點和#小流量點之間的一個流量點。如果實驗室對不同流量點規(guī)定用固定的標(biāo)準(zhǔn)流量計或其組合，則可僅針對這些確定的標(biāo)準(zhǔn)流量計或其組合進行測試即可。

 ( 6) 期間核查重復(fù)測量的次數(shù)。對核查標(biāo)準(zhǔn)

在一個流量點下重復(fù)測量的次數(shù)宜不低于 6 次。

 

 4. 5 期間核查結(jié)果的評價

( 1) 重復(fù)性評價。各流量點測試結(jié)果的重復(fù)性如果小于流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進行#佳能力評價時測量結(jié)果的重復(fù)性，則重復(fù)性核查滿足要求; 否則應(yīng)查找原因，重新進行核查測試，或是對流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的#佳能力重新評估。

 ( 2) 復(fù)現(xiàn)性評價。各標(biāo)準(zhǔn)流量計或其組合測試結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性如果不大于流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴展不確定度，則復(fù)現(xiàn)性核查結(jié)果滿足要求; 否則應(yīng)查找原因，重新進行核查測試，或是對流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴展不確定度重新評估。

 ( 3) 穩(wěn)定性評價。各標(biāo)準(zhǔn)流量計或其組合測試結(jié)果的穩(wěn)定性覺對值如果小于流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴展不確定度，則穩(wěn)定性核查結(jié)果滿足要求; 否則應(yīng)查找原因，重新進行核查測試，或是對流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴展不確定度重新評估。

 

 5 結(jié)束語

( 1) 本文創(chuàng)新地引入了流量標(biāo)準(zhǔn)裝置復(fù)現(xiàn)性的概念和評價方法，能夠及時發(fā)現(xiàn)用流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中不同標(biāo)準(zhǔn)流量計或其組合的測量結(jié)果是否一致的問題。

 ( 2) 實施期間核查時將核查標(biāo)準(zhǔn)安裝在被檢流量計臺位上，不僅能發(fā)現(xiàn)計量標(biāo)準(zhǔn)器具及輔助計量器具準(zhǔn)確性對測量準(zhǔn)確性的影響，還能發(fā)現(xiàn)工況參數(shù)不穩(wěn)定及工藝設(shè)備不完善帶來的影響，能真正 起 到 對 整 個 標(biāo) 準(zhǔn) 裝 置 進行期間核查的作用。( 3) 本文介紹的期間核查方法包含了對流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中每臺標(biāo)準(zhǔn)流量計#小工作流量和#大工作流量及其組合的測量，實現(xiàn)了流量范圍全覆蓋的性能測試。

 

計量的核心內(nèi)容是保證量值的準(zhǔn)確一致。我們應(yīng)當(dāng)追求量值在準(zhǔn)確基礎(chǔ)上的一致。實踐證明，本文tuijian的天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的期間核查方法對于保證天然氣流量測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性具有重要的指導(dǎo)作用。本文介紹的期間核查方法亦可用于計量標(biāo)準(zhǔn)的建標(biāo)測試。