大口徑熱量表標(biāo)準(zhǔn)裝置比對

1 比對的目的和意義

    熱量表是一個(gè)用于貿(mào)易結(jié)算的強(qiáng)檢計(jì)量器具，對我國供熱計(jì)量改革和企業(yè)的節(jié)能工作發(fā)揮著重要作用，隨著改革的不斷深入、熱量表生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)和能力的不斷進(jìn)步以及社會的需求，作為供熱主管網(wǎng)、換熱站和樓宇主管道的計(jì)量器具（大口徑熱量表）得到了廣泛的應(yīng)用。

    山東省計(jì)量科學(xué)院和山西省計(jì)量科學(xué)研究院于2010年分別建立了大口徑熱量表檢定裝置，通過了計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核，并取得了國家質(zhì)檢總局的型式評價(jià)授權(quán)，兩套檢定裝置的建成和使用，反映了目前我國在大口徑熱量表檢測方面的技術(shù)能力。

    為了客觀、公正、科學(xué)地反映目前山東省計(jì)量科學(xué)研究院和山西省計(jì)量科學(xué)研究院大口徑熱量表的檢定工作現(xiàn)狀，準(zhǔn)確地了解兩院大口徑熱量表檢定裝置測量值的準(zhǔn)確可靠程度，考查檢定人員技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)熱量量值傳遞的準(zhǔn)確可靠，經(jīng)過兩院的認(rèn)真協(xié)商和內(nèi)部相關(guān)部門的核準(zhǔn)，兩院相關(guān)實(shí)驗(yàn)室對大口徑熱量表進(jìn)行了比對工作。通過此次比對工作可以對兩實(shí)驗(yàn)室檢定能力有一個(gè)相互的了解，技術(shù)上取長補(bǔ)短，共同進(jìn)步，為推動我國的大口徑熱量表計(jì)量技術(shù)進(jìn)步做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

  2 比對的組織

    2.1 比對實(shí)驗(yàn)室

    參比實(shí)驗(yàn)室為山東省計(jì)量科學(xué)研究院和山西省計(jì)量科學(xué)研究院，不設(shè)主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，兩院共同完成比對方案的制定、比對實(shí)施細(xì)則的編寫、比對數(shù)據(jù)的匯總、評估以及比對總結(jié)報(bào)告的編寫工作，威海市天罡儀表有限公司負(fù)責(zé)比對樣品的制作和比對前后數(shù)據(jù)的驗(yàn)證等工作。

  2.2 比對流程

    在確認(rèn)了比對意向和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室主管部門批準(zhǔn)后，山東省計(jì)量科學(xué)研究院編寫了比對實(shí)施細(xì)則初稿，2011年5月在濟(jì)南市召開了比對實(shí)施細(xì)則研討會，參比實(shí)驗(yàn)室代表和特邀專家就比對實(shí)施細(xì)則進(jìn)行了討論，確定了比對實(shí)施細(xì)則。

    根據(jù)《比對實(shí)施細(xì)則》，制定了比對路線、比對樣品的運(yùn)輸方式、比對的環(huán)境條件、比對試驗(yàn)點(diǎn)、測量不確定度主要分量以及有關(guān)注意事項(xiàng)等。

    威海市天罡儀表有限公司制作并提供了比對樣品，并進(jìn)行了比對前的實(shí)驗(yàn)，由于考慮到參比實(shí)驗(yàn)室的日常工作安排等因素，比對實(shí)驗(yàn)時(shí)間沒有固定，兩實(shí)驗(yàn)室比對結(jié)束后，將比對樣品送回威海市天罡儀表有限公司，并進(jìn)行了比對后的試驗(yàn)。

    參比實(shí)驗(yàn)室均出具了的比對實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書面版和電子版以及校準(zhǔn)證書等技術(shù)資料，共同進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，完成了比對總結(jié)報(bào)告的編寫。

  2.3 比對試驗(yàn)

    （1）比對試驗(yàn)內(nèi)容和方法

    根據(jù)國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG225―2001《熱能表》，熱量表的檢定方法有總量檢定法、分量檢定法和分量組合檢定法等三種，要求的試驗(yàn)水溫為（50±5）℃。由于兩參比實(shí)驗(yàn)室均為國家型式評價(jià)授權(quán)實(shí)驗(yàn)室，不僅承擔(dān)著檢定工作還要承擔(dān)型式評價(jià)試驗(yàn)任務(wù)，所以本次比對采用的方法為分量法（流量傳感器）和分量組合法（配對溫度傳感器和計(jì)算器）。比對中，試驗(yàn)水溫分別為室溫（30℃±3℃）、（50℃±3℃）、80～85℃；流量比對采用質(zhì)量法和標(biāo)準(zhǔn)表法，比對點(diǎn)分別為qp（1－2.5%）、0.3qp（1±2.5%）、0.1qp（1±2.5%）、qi～1.05qi，共計(jì)四個(gè)比對點(diǎn)（qp為常用流量；qi為最小流量）；熱量比對采用配對溫度傳感器和計(jì)算器組合法，出口溫度θd=（40±1）℃，模擬流量為0.3qp（1±2.5%），溫差為Δθmin≤Δθ≤1.2Δθmin、14.5℃≤Δθ≤15.5℃、39.5℃≤Δθ≤40.5℃，共計(jì)三個(gè)比對點(diǎn)。每個(gè)比對點(diǎn)進(jìn)行6次試驗(yàn)，取其平均值作為比對結(jié)果。

 （2）比對樣品

    比對樣品由金湖力科儀表有限公司制作并提供，規(guī)格為DN80和DN200各兩塊。

表1 比對樣品的主要技術(shù)指標(biāo)表

    （3）比對設(shè)備

表2 參比實(shí)驗(yàn)室檢定裝置情況表

  3 比對數(shù)據(jù)及評價(jià)

    3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及報(bào)告

    兩個(gè)參比實(shí)驗(yàn)室均按照要求格式提交了實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告中給出了各比對點(diǎn)的測量值和測量不確定度，結(jié)果見表3和表4。

表3 山東省計(jì)量科學(xué)研究院比對數(shù)據(jù)匯總表

表3-1 熱量相對示值誤差測量結(jié)果及其擴(kuò)展不確定度表

表3-2 累積體積（質(zhì)量法）相對示值誤差測量結(jié)果及其擴(kuò)展不確定度表

表3-3 累積體積（標(biāo)準(zhǔn)表法）相對示值誤差測量結(jié)果及其擴(kuò)展不確定度表

表4 山西省計(jì)量科學(xué)研究院比對數(shù)據(jù)匯總表

表4-1 熱量相對示值誤差測量結(jié)果及其擴(kuò)展不確定度表

表4-2累積體積（質(zhì)量法）相對示值誤差測量結(jié)果及其擴(kuò)展不確定度表

表4-3 累積體積（標(biāo)準(zhǔn)表法）相對示值誤差測量結(jié)果及其擴(kuò)展不確定度表

  3.2 參考值

    （1）本次比對參考值采用相對示值誤差，計(jì)算方法采用通用的各實(shí)驗(yàn)室測量值加權(quán)平均法，計(jì)算公式采用式（1）。

    （1）

    式中：Yri為比對實(shí)驗(yàn)第i個(gè)測量點(diǎn)的參考值；Yji為第j個(gè)實(shí)驗(yàn)室上報(bào)的第i個(gè)測量點(diǎn)上的測量結(jié)果；uji為第j個(gè)實(shí)驗(yàn)室宣稱的第i個(gè)測量點(diǎn)測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

    （2）參考值參考值Yri的標(biāo)準(zhǔn)不確定度按式（2）計(jì)算：

    （2）

    （3）參考值及其擴(kuò)展不確定度

    根據(jù)以上公式計(jì)算出了本次比對的參考值及其擴(kuò)展不確定度，結(jié)果見表5。

表5 參考值及其擴(kuò)展不確定度表

表5-1 熱量參考值及其擴(kuò)展不確定度表

表5-2 累積體積（質(zhì)量法）參考值及其擴(kuò)展不確定度表

表5-3 累積體積（標(biāo)準(zhǔn)表法）參考值及其擴(kuò)展不確定度表

  3.3 參比實(shí)驗(yàn)室測量值與參考值的差值

    （1）表6給出了兩個(gè)參比實(shí)驗(yàn)室的測量結(jié)果與參考值在各比對實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的差值。

表6 參比實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果與參考值的差值表

表6-1 熱量相對示值誤差測量結(jié)果與參考值的差值表       %

表6-2 累積體積（質(zhì)量法）相對示值誤差測量結(jié)果與參考值的差值表    %

表6-3 累積體積（標(biāo)準(zhǔn)表法）相對示值誤差測量結(jié)果與參考值的差值表      %

    （2）比對樣品不穩(wěn)定性帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

    在比對過程中，比對樣品經(jīng)過了多次“冷”和“熱”的過程以及運(yùn)輸?shù)确矫嬖颍葘悠返臏y量值會發(fā)生變化，取比對前與比對后最大變化的數(shù)值計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)不確定度，按均勻分布，則比對樣品的不穩(wěn)定性帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為。對于熱量比對點(diǎn)均可視為0.03%；對于質(zhì)量法流量點(diǎn)可視為0.06%；對于標(biāo)準(zhǔn)表法流量點(diǎn)可視為0.09%。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)由威海市天罡儀表有限公司完成并提供測量結(jié)果。

    （3）差值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

    差值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度是參考值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、參比實(shí)驗(yàn)室宣稱的標(biāo)準(zhǔn)不確定度以及比對樣品的不穩(wěn)定性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成，差值的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uΔ可由下式計(jì)算得出。

     （3）

    式中：urj為比對實(shí)驗(yàn)第i個(gè)測量點(diǎn)參考值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；uji為第j個(gè)實(shí)驗(yàn)室第i個(gè)測量點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；us為比對樣品不穩(wěn)定性帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

    取包含因子k=2，得到差值的擴(kuò)展不確定度為：UΔ=2×uΔ。

    參比實(shí)驗(yàn)室測量值與參考值之差值的擴(kuò)展不確定度見表7。

 3.4 比對結(jié)果的評價(jià)

    本次比對結(jié)果通過歸一化偏差En值來進(jìn)行評價(jià)，其計(jì)算公式為：

     （4）

    比對結(jié)果一致性的評判原則為：，表明參比實(shí)驗(yàn)室的測量結(jié)果與參考值之差在合理的預(yù)期之內(nèi)，比對結(jié)果可接受；則參比實(shí)驗(yàn)室的測量結(jié)果與參考值之差沒有達(dá)到合理的預(yù)期，應(yīng)分析原因。

    參比實(shí)驗(yàn)室的En值見表8和圖1至圖5。

表7 參比實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果與參考值之差值的擴(kuò)展不確定度表

表7-1 熱量測量值與參考值之差值的擴(kuò)展不確定度（k=2）表         %

表7-2 累積流量（質(zhì)量法）測量值與參考值之差值的擴(kuò)展不確定度（k=2）表        %

表7-3 累積流量（標(biāo)準(zhǔn)表法）測量值與參考值之差值的擴(kuò)展不確定度（k=2）表       %

表8 參比實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果歸一化偏差En值表

表8-1 熱量測量結(jié)果歸一化偏差En值表

表8-2 累積流量（質(zhì)量法）測量結(jié)果歸一化偏差En值表

表8-3 累積流量（標(biāo)準(zhǔn)表法）測量結(jié)果歸一化偏差En值表

圖1 參比實(shí)驗(yàn)室熱量比對結(jié)果的En與等效限圖

圖2 參比實(shí)驗(yàn)室流量比對結(jié)果的En與等效限（80888883）圖

圖3 參比實(shí)驗(yàn)室流量比對結(jié)果的En與等效限（80888884）圖

圖4 參比實(shí)驗(yàn)室流量比對結(jié)果的En與等效限（72120025）圖

圖5 參比實(shí)驗(yàn)室流量比對結(jié)果的En與等效限（72120028）圖

  4 比對結(jié)果分析

    通過對本次比對的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)考查、統(tǒng)計(jì)情況、并結(jié)合圖表等形式，我們作出以下分析和判斷：

    （1）熱量相對示值誤差測量結(jié)果中，兩院在15K點(diǎn)處與參考值的差值最大，山東院為+0.17K（72120028）；山西院為+0.13K（72120025）。由于3K溫差對相對誤差來說要求較高，所以差值的擴(kuò)展不確定度也較大，為0.63%～0.81%。

    （2）累積體積（質(zhì)量法）相對示值誤差測量結(jié)果中，山東院在水溫80℃、qi點(diǎn)處與參考值的差值最大，為+0.31%（72120025）；山西院在水溫30℃、0.3qp點(diǎn)處與參考值的差值最大，為+0.36%（72120028）。由于比對樣品在一些試驗(yàn)點(diǎn)上的測量重復(fù)性不是很好，差值的擴(kuò)展不確定度最大達(dá)到了1.35%。

    （3）累積體積（標(biāo)準(zhǔn)表法）相對示值誤差測量結(jié)果中，山東院在水溫30℃、qi點(diǎn)處與參考值的差值最大，為+0.31%（80888883）；山西院在水溫80℃、qp點(diǎn)處與參考值的差值最大，為－0.24%（72120028）。同樣在標(biāo)準(zhǔn)表法中比對樣品在一些試驗(yàn)點(diǎn)上的測量重復(fù)性也不是很好，差值的擴(kuò)展不確定度最大達(dá)到了1.41%。

    （4）本次比對樣品在部分試驗(yàn)點(diǎn)上的重復(fù)性的影響較大，最大為0.60%，但也完全滿足規(guī)程中對重復(fù)性的要求（qp點(diǎn)處，1.01%）。考慮到超聲波熱量表應(yīng)用較為廣泛，本次比對不僅要考核參比實(shí)驗(yàn)室的檢定能力同時(shí)也要對比對樣品進(jìn)行考查，在今后的比對中，建議使用容積式流量計(jì)或電磁流量計(jì)作為比對樣品。

 5 比對結(jié)論

    根據(jù)比對結(jié)果，參比實(shí)驗(yàn)室給出的測量值與參考值相比沒有明顯的偏差，不確定度評定基本合理，比對結(jié)果都在等效限內(nèi)，說明兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的量傳是可靠的。結(jié)合日常的工作實(shí)踐和檢定裝置的使用情況以及對熱量表的了解，提出一些測量中的影響因素和問題。（1）標(biāo)準(zhǔn)表法檢定時(shí)，不同的水溫會對標(biāo)準(zhǔn)表帶來影響；由于電導(dǎo)率的因素，水質(zhì)會對測量有影響；調(diào)節(jié)閥的安裝位置和開度對流場的干擾，也會對測量有影響；由于還沒有統(tǒng)一的通訊協(xié)議，讀數(shù)的影響也不可忽略。

    （2）質(zhì)量法檢定時(shí)，由于在夾表器處和管路的變徑處可能會有氣團(tuán)產(chǎn)生；換向器的結(jié)構(gòu)不同和啟停效應(yīng)對大口徑熱量表的檢定都有影響。

    （3）熱量表溫度傳感器插入表中后，對流場造成干擾，影響測量結(jié)果；超聲波熱量表的測量和水溫有關(guān)，生產(chǎn)企業(yè)注重了溫度傳感器的配對，忽視了溫度測量；超聲波熱量表瞬時(shí)流量不穩(wěn)定性，重復(fù)性不好等問題。

    （4）分量組合檢定法，理論上，熱量的誤差等于流量的誤差與配對溫度傳感器和計(jì)算器誤差之和，但在實(shí)際測量過程中，有時(shí)不相等，甚至差距較大。

    以上一些影響因素，應(yīng)盡量克服；一些問題應(yīng)認(rèn)真分析并加以解決。