蒸汽流量计用气体流量标准装置不确定度评定
摘要：以临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置为代表，扼要阐述了具有蒸汽流量计校准功能的标准表法气体流量标准装置测量不确定度评定方法和步骤。
1、气体流量标准装置介绍
标准表法流量标准装置以标准流量计为标准器，使流体连续通过标准流量计和被检流量计，比较两者的输出瞬时流量值，或比较一段时间内的累积流量值，从而确定备件流量计的计量性能。临界流音速喷管气体流量标准装置作为一种典型标准表法气体流量标准装置，主要由气源、试验管路、并联临界流音速喷管组和控制设备四部分组成。
公司2007年建成了一套以临界流音速喷管组为标准表的气体流量标准装置，装置作为压缩空气和蒸汽两种介质流量计共用的流量标准，设计中采用最为科学和权威的蒸汽流量计量温度、压力补偿的数学模型，通过气体流量装置与国家蒸汽流量计量烟台检定站蒸汽流量标准装置实流标定比对、数据拟合处理，确保准确可靠地实现蒸汽流量计校准。
2、气体流量标准装置不确定度评定
2.1数学模型
本装置采用临界流音速喷管作为标准表，流体介质为空气，其单个临界流音速喷管的实际质量qm和体积流量qv计算公式为：
式中：ρ、p、T分别为被检流量计处的空气密度（kg/m³）、绝对压力（Pa）、热力学温度（K）
A—喷嘴喉部面积；（mm）C—喷嘴流出系数；C—临界流函数；P0—喷嘴前气体的滞止压力（Pa）；T0—喷嘴前气体的滞止温度（K）；R—通用气体常数, 其数值为8314.51J/(kmol.K)；M—空气千摩质量, 其数值为28.9625kg/(kmol)。
作为标准表法气体流量标准装置，本装置利用多个临界流音速喷管（标准流量计）并联方法，累加流过每个临界流音速喷管气体流量来扩大装置的气体流量范围。由于每个临界流音速喷管都是独立工作的，所以n个临界流音速喷管并联组合后装置气体流量测量不确定度可以表示为
由（3）式可以得出：多个临界流音速喷管并联组合后并不会降低标准装置的测量不确定度，此时装置测量不确定度一定不超过喷管组中单个临界流音速喷管气体流量不确定度的最大值。因此，可以依据式（1）数学模型，通过评定单个临界流音速喷管气体流量不确定度方法，确定多个临界流音速喷管组合后装置气体流量测量不确定度。
2.2输入量标准不确定度的评定
由于检定和使用音速喷管时都是在空气介质下进行的，A、C*、M和R的值相同，因此可忽略该四项引入的不确定度。
（1）流出系数C的不确定度
按照JJG 620-2008《临界流文丘里喷嘴检定规程》要求，在95%的置信概率下，U=0.2%。因测量次数为6，可得 t95=2.45，则有
（2）音速喷管入口处滞止压力P0的不确定度
所用压力变送器满量程为1000kPa，允许误差为满量程的0.1%，因此，当P0取800kPa时，按均匀分布，则有
（3）音速喷管入口处滞止温度T0的不确定度
所用温度变送器满量程为100℃，允许误差为满量程的0.1%；考虑滞止容器温度不均匀性（0.2K）影响，因此，当T0取300K时，按均匀分布，90%可靠，则有
（4）被检流量计处的温度T和压力P的不确定度
本装置中被检流量计处温度T和压力P的测量仪器与测量音速喷管入口滞止温度压力的仪器相同，单独考虑检定管路内温度不均匀性为0.5K。因此可得
（5）计时器的不确定度
当被检表为累积式流量计（如涡街流量计）时，考虑计时器的不确定度。由于计时器时间间隔最大相对不确定度出现在最短测量时间，本装置一次检定最短时间为30s。
本装置选用标称频率3.5×10-4和6.2×10-4 的晶振，校准证书给出准确度分别为3.5×10-4和6.2×10-4，按最低准确度和均匀分布考虑，则有
（6）空气与蒸汽介质换算引入的不确定度
①比对分析蒸汽流量标准装置不确定度和稳定度引入的分量
国家蒸汽流量计量烟台检定站蒸汽流量标准装置采用冷凝称重法原理，试验介质为干饱和蒸汽、微过热蒸汽。装置的不确定度U=0.18%（p=95%）；装置的稳定性δ=0.068%。
②蒸汽密度计算引入的分量
蒸汽密度计算采用“工业用IFC1967公式”计算法就是根据“工业用IFC1967公式”采用微机技术实现蒸汽密度输出。1967IFC公式为IFC（国际公式化委员会）针对水蒸气热力性质数据统一，于1967年提出并获得国际共同认可的水蒸气密度权威计算公式。现在各国使用的水和水蒸气热力性质图表，都是根据1967IFC公式计算编制的。
经实际计算该项最大偏差为±0.02%，引入的不确定度为
③比对试验用涡街流量计测量重复性引入的测量不确定度
比对试验采用的涡街流量计为准确度等级为1.5级，金湖凯铭仪表有限公司生产的KTUD-23型涡街流量计。在蒸汽标准装置检定，确定重复性为0.7%，按均匀分布，80%可靠。
④空气与蒸汽介质换算引入的分项不确定度
（7）装置重复性引入的测量不确定度
选用涡街流量计在DN50管线上重复10次，测量结果分别为：184.23、184.05、183.96、183.87、182.78、183.78、183.60、183.69、183.60、183.05（单位Nm³/h），计算得到：
2.3临界流音速喷管气体流量标准装置不确定度评定
3、结论
多个标准流量计并联组合的标准表法流量标准装置的流量测量不确定度不超过标准流量计组中单个标准流量计流量测量不确定度的最大值，这一理论，为标准表法流量标准装置测量不确定度数学模型简化提供了可靠的理论依据。具有蒸汽流量计校准功能气体流量标准装置测量不确定度评定应充分考虑蒸汽和空气介质换算引入的各不确定度分量。
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