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          科里奥利质量流量计测得值不确定度评定

          来源: 宝鸡市质量技术检验检测中心 作者:薛 飞 发布日期:2020-06-18 15:04:23

           摘 要: 本文使用新建立的水流量标准装置,依据 JJG 1038 - 2008《科里奥利质量流量计检定规程》,采用静态质量法,对科里奥利质量流量计示值误差测得值的不确定度进行分析。

           
          1 概述
          本中心静态质量 法 水 流 量 标 准 装 置 型 号 为LBY - 150,流量测量范围( 0. 2 ~ 450) m3 /h,管径测量范围 DN( 15 ~ 200) mm,用于对各类液体流量计实施强制检定。科里奥利质量流量计准确度和稳定性较高,理论上不受被测介质温度、压力、密度等参数的影响,广泛应用于贸易结算和计量交接。[1]本文所用质量流量计由艾默生过程控制有限公司制造,准确度等级为 0. 2 级,质量流量范围( 2. 78 ~ 27. 78) kg /s,电源电压 220V,输出( 4 ~ 20) mA 电流信号。 2 不确定度评定
           
          2. 1 测量模型建立
          本装置采用质量法进行检定,不使用砝码,每次测量的实际标准质量 Qs 按式( 1) 计算:
          Qs = M·c ( 1)
          式中: Qs—实际标准质量,kg; M—电子天平示值,kg; c—浮力修正因子。
           
          浮力修正因子 c 按式( 2) 计算: [2]
          浮力修正因子 c 按式( 2) 计算
          标准质量流量 qs 按式( 3) 计算:
          标准质量流量 qs 按式( 3) 计算
           
          式中: t———测量时间,s。
           
          由此可得测得值的示值误差:
          测得值的示值误差:
          2. 2 合成标准不确定度及灵敏系数
           
          根据测量不确定度的传播律,合成标准不确定度 uc 按式( 5) 计算:
          合成标准不确定度 uc
          式中: ct、cM、cρ水 、cρ气 、cq———计时器、电子天平、水密度、空气密度及流量计重复性等输入量的灵敏系数,分别为:
           
          式中: ut、uM、uρ水 、uρ气 、uq 分别为计时器、电子天平、水密度、空气密度和流量计重复性引入的标准不确定度。
           
          3 各输入量引入的标准不确定度
          3. 1 计时器引入的标准不确定度 ut
          本装置单次检定时设置时间一般为 60s,由大量检定实验可知,其显示时间在( 59. 965s ~ 60. 035s) 区间内,故取其不确定度区间半宽度0. 035s,按均匀分布考虑,则:
          0200618150552.jpg
           
          3. 2 电子天平引入的标准不确定度 uM
          检定时选用 6t 的电子天平,非常大允许误差为± 500g。其不确定度区间半宽度为 0. 5kg,按均匀分布考虑,则:
          20200618150609.jpg
          3. 3 水密度引入的标准不确定度 uρ水
          本装置配置的水池尺寸约为 7m × 7m × 5m,取非常大测量量程 450m3 /h,按单次检定时间 60s 计算,水池池面下降非常大不会超过 15cm 左右,再通过消气装置除气,故不考虑水流波动和气泡对水密度的影响,只考虑水温变化对密度的影响。由大量实验可知,对某个流量点的三次检定过程中,水温变化一般不超过 ±0. 2℃。假设水温在 20℃时检定,查水温与密度对照表可知:
           t1 =19. 5℃,ρ1 =998. 334kg /m3 ; 
          t2 =20. 0℃,ρ2 =998. 232kg /m3 ; 
          t3 =20. 5℃,ρ3 =998. 128kg /m3。
          通过计算可知: 当水温在( 19. 8 ~ 20. 2) ℃时,密度为( 998. 1904 ~998. 2728) kg /m3,其不确定度区间半宽度为0. 0412kg /m3,按均匀分布考虑,则:
          20200618150624.jpg
          3. 4 空气密度引入的标准不确定度 uρ气
          湿空气的密度不能被直接测量,通常需依据大气压、干球温度、湿球温度等参数来进行计算,[3]实际测量比较繁琐,本文使用干空气的密度来评定其引入的标准不确定度。假设空气温度在 20℃ 时检定,检定过程中空气温度变化非常大不超过 1℃,查空气密度表可知: 当温度在( 19 ~ 21) ℃ 时,干空气密度为( 1. 201 ~ 1. 209) kg /m3,其不确定度区间半宽度为 0. 004kg /m3,按均匀分布考虑,则:
          20200618150644.jpg
           
          3. 5 流量计重复性引入的标准不确定度 uq
          测量重复性是被测量估计值的不确定度的一个分量,本文被测量估计值取 10 次重复测量的平均值,得到数据如表 1 所示。
          流量计 10 次重复测量数据结果
          由贝塞尔公式求单次测得值的实验标准偏差s = 0. 004854kg /s,则由重复性导致的非常佳估计值的标准不确定度为:
          QQ截图20200618150731.jpg
          4 灵敏系数计算
          取某次测量数据,t = 60. 033s,q = 23. 6001kg /s,M =1416. 792kg,取常压、20℃下的水密度 998. 232kg /m3,
          干空气密度1. 205kg /m3。代入式( 6) ~式( 10) ,可得: 
          ct = 0. 01664s - 1 
          cM = - 7. 050 × 10 - 4 kg - 1 
          cρ水 = 1. 209 × 10 - 6m3 /kg 
          cρ气 = - 1. 002 × 10 - 3m3 /kg 
          cq = 0. 04232s/kg
           
          5 扩展不确定度计算
          将以上结果代入式( 5) ,计算可得合成标准不确定度 uc = 0. 0398% ,则:扩展不确定度 U = k·uc = 0. 080% ,k = 2由此可得: 该质量流量计符合准确度等级的要求,示值误差检定合格。

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