摘要: 文章shou先介紹了中國天然氣流量標準裝置建設(shè)的現(xiàn)況和技術(shù)水平，對影響用天然氣流量標準裝置檢定流量計結(jié)果準確性的因素進行了分析，指出了目前對天然氣流量標準裝置實施期間核查過程中存在的問題，然后給出了對天然氣流量標準裝置開展期間核查的建議。文章創(chuàng)新地提出了天然氣流量標準裝置復(fù)現(xiàn)性的概念。實踐證明，用tuijian的方法開展天然氣流量標準裝置的期間核查，可以有效保證天然氣流量標準裝置測量結(jié)果的一致性和流量計檢定結(jié)果的準確性。
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準裝置。目前，已經(jīng)建成 3 套中高壓天然氣流量原級標準，已經(jīng)建成和在建 23 套由臨界流噴嘴和標準渦輪流量計構(gòu)成的標準表法流量標準裝置，每年檢定和校準的天然氣流量計 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準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準裝置的管理，保證測量結(jié)果和檢定結(jié)果的準確性和一致性。對天然氣流量標準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)果準確性的因素分析
2. 1 工作原理
采用標準表法天然氣流量標準裝置檢定流量計的原理圖如圖 1 所示。圖中標準流量計 MM 和被檢流量計 MUT 用管道連接，在一定的時間間隔內(nèi)，流入標準流量計 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)變化引起的標準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 s 表示標準流量計處的參數(shù)，下標 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為標準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準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。以某實驗室標準表法天然氣流量標準裝置為例，當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) 計量器具測量不準確帶來的影響。如果標準流量計測量不準確，或是溫度和壓力等輔助測量儀表測量不準確，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確性，進而影響流量計的檢定結(jié)果。測量結(jié)果不準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。以某實驗室標準表法天然氣流量標準裝置為例，當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確性等多種因素的影響。為了保證天然氣流量標準裝置的準確性和檢定結(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)于天然氣流量標準裝置期間核查的技術(shù)標準，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準，或是期間核查的工作開展沒有計劃、不夠規(guī)范。
( 2) 將對標準流量計的校準視為期間核查。由前面的討論分析可知，對計量器具實施檢定或校準，只能解決計量器具測量的準確性問題，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準流量計的流程是不一樣的。
( 3) 將用安裝在標準流量計上游的核查表對標準流量計的測試結(jié)果視為期間核查。用該種方法只能是對標準流量計性能進行監(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)測量準確性的影響。
( 4) 對流量標準裝置期間核查的評價指標不全面。僅按 JJF 1033 的要求考慮了計量標準的重復(fù)性和穩(wěn)定性，而忽視了選用不同的標準流量計檢定結(jié)果不一致的問題。筆者在對多個實驗室的天然氣流量標準裝置進行建標考核時，發(fā)現(xiàn)有的實驗室用不同標準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% ，遠大于標準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準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，沒有對流量標準裝置的#小和#大流量進行測試，也沒有對每臺標準流量計的#小和#大工作流量進行測試，而計量標準的#小流量基本都是在標準流量計的分界流量以下，測量不確定度會增大，存在用不同標準流量計測量結(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準測量量值和出具測量結(jié)果的準確一致的程度; 而期間核查的定義是根據(jù)規(guī)定程序，為了確定計量標準、標準物質(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準的失準造成傳遞的失準，并有效縮短失準后追溯的時間。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)范天然氣流量標準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準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準裝置的期間核查時，建議考慮如下問題。
4. 1 制定管理制度
實驗室應(yīng)當按照 JJF 1069 的要求編制程序文件，明確天然氣流量標準裝置期間核查的計劃、方法、結(jié) 果 評 估、核查標準保存和數(shù)據(jù)存檔等內(nèi)容。
4. 2 引入流量標準裝置復(fù)現(xiàn)性的概念
在 JJF 1033 中有對計量標準重復(fù)性和穩(wěn)定性測試的要求，但不能對天然氣流量標準裝置中用不同標準流量計測量結(jié)果的一致性進行評價。本文創(chuàng)新地給出了流量標準裝置復(fù)現(xiàn)性的概念和技術(shù)指標。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。在本文件中流量標準裝置復(fù)現(xiàn)性是指用天然氣流量計量標準中不同標準流量計或其組合對核查標準測試結(jié)果的一致性，用核查標準示值誤差的差值進行評價。
4. 3 核查標準的配備
( 1) 核查標準的性能。由于流量是個動態(tài)量，沒有公認的固定的標準，所以，核查標準應(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準裝置的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)接收的流量計都可以用作核查標準。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) 核查標準的準確度等級。應(yīng)盡量選擇性能穩(wěn)定的流量計作為核查標準。建議選用的核查標準的流量計的準確度等級不低于天然氣流量標準裝置中標準流量計的準確度等級。
( 3) 核查標準的測量范圍。核查標準的流量測量范圍應(yīng)覆蓋天然氣流量計量標準裝置中每臺標準流量計的#小工作流量和#大工作流量。宜至少配備一套大口徑核查標準，其流量范圍覆蓋天然氣流量計量標準裝置的#大流量。如配備多套核查標準，宜由工作原理不同的流量計構(gòu)成，兩套核查標準間宜有部分重疊的測量測量范圍，以便相互驗證。
( 4) 核查標準的設(shè)計壓力。核查標準的設(shè)計壓力應(yīng)不低于天然氣流量標準裝置工藝管道的設(shè)計壓力。
( 5) 核查標準的結(jié)構(gòu)。核查標準宜做成一個組件，即應(yīng)包括流量計及其上下游直管段和整流器，且核查標準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)成的核查標準的安裝條件應(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)成的核查標準的安裝條件應(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) 核查標準的保存。核查標準應(yīng)妥善保管，應(yīng)有固定的包裝箱存放和運輸。應(yīng)使可能影響核查標準計量性能的環(huán)境條件都能滿足要求，如溫度、濕度、電磁場、振動等。應(yīng)盡量避免核查標準用于其它與期間核查無關(guān)的活動，以便保證核查標準的計量性能。
4. 4 期間核查的實施
( 1) 實施期間核查的時機。對天然氣流量標準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)限于標準流量計兩次校準間進行�？紤]到流量測量的復(fù)雜性，建議在標準流量計及輔助儀表校準后即進行一次期間核查; 在兩次校準之間，或是懷疑標準裝置性能有變化時，或是當用標準裝置檢定或校準重要的流量計時，或是移動式流量標準裝置用于外出開展檢定或校準任務(wù)或從外出開展檢定或校準任務(wù)回到實驗室時，宜實施期間核查。
（ 2) 核查標準的安裝位置。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準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準裝置中單臺標準流量計測試和多臺標準流量計組合測試。
( 4) 期間核查的技術(shù)指標。流量標準裝置技術(shù)指標包括對每臺標準流量計及標準流量計組合的重復(fù)性、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性。在用同yiliu量點下，用核查標準示值誤差的標準偏差計算重復(fù)性; 用不同標準流量計或標準流量計組合測得的核查標準示值誤差的#大偏差計算復(fù)現(xiàn)性; 用一段時間內(nèi)同一標準流量計或標準流量計組合兩次測試核查標準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)至少可對標準裝置中每臺標準流量計工作的#小流量和#大流量進行測試。對于單臺標準流量計測試，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 準表的性能選 擇 流 量 點，tuijian選用標準表的分界流量 qt 或是 0. 4qmax ; 對于多臺標準流量計的組合測試，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)定用固定的標準流量計或其組合，則可僅針對這些確定的標準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)。對核查標準
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)性如果小于流量標準裝置進行#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，或是對流量標準裝置的#佳能力重新評估。
( 2) 復(fù)現(xiàn)性評價。各標準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準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，或是對流量標準裝置的擴展不確定度重新評估。
( 3) 穩(wěn)定性評價。各標準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準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，或是對流量標準裝置的擴展不確定度重新評估。
5 結(jié)束語
( 1) 本文創(chuàng)新地引入了流量標準裝置復(fù)現(xiàn)性的概念和評價方法，能夠及時發(fā)現(xiàn)用流量標準裝置中不同標準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準安裝在被檢流量計臺位上，不僅能發(fā)現(xiàn)計量標準器具及輔助計量器具準確性對測量準確性的影響，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 準 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準裝置中每臺標準流量計#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)容是保證量值的準確一致。我們應(yīng)當追求量值在準確基礎(chǔ)上的一致。實踐證明，本文tuijian的天然氣流量標準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準的建標測試。
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