大口徑熱量表標準裝置比對

1 比對的目的和意義

    熱量表是一個用于貿(mào)易結(jié)算的強檢計量器具，對我國供熱計量改革和企業(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量器具（大口徑熱量表）得到了廣泛的應(yīng)用。

    山東省計量科學院和山西省計量科學研究院于2010年分別建立了大口徑熱量表檢定裝置，通過了計量標準考核，并取得了國家質(zhì)檢總局的型式評價授權(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、科學地反映目前山東省計量科學研究院和山西省計量科學研究院大口徑熱量表的檢定工作現(xiàn)狀，準確地了解兩院大口徑熱量表檢定裝置測量值的準確可靠程度，考查檢定人員技術(shù)水平，實現(xiàn)熱量量值傳遞的準確可靠，經(jīng)過兩院的認真協(xié)商和內(nèi)部相關(guān)部門的核準，兩院相關(guān)實驗室對大口徑熱量表進行了比對工作。通過此次比對工作可以對兩實驗室檢定能力有一個相互的了解，技術(shù)上取長補短，共同進步，為推動我國的大口徑熱量表計量技術(shù)進步做出應(yīng)有的貢獻。

  2 比對的組織

    2.1 比對實驗室

    參比實驗室為山東省計量科學研究院和山西省計量科學研究院，不設(shè)主導實驗室，兩院共同完成比對方案的制定、比對實施細則的編寫、比對數(shù)據(jù)的匯總、評估以及比對總結(jié)報告的編寫工作，威海市天罡儀表有限公司負責比對樣品的制作和比對前后數(shù)據(jù)的驗證等工作。

  2.2 比對流程

    在確認了比對意向和兩個實驗室主管部門批準后，山東省計量科學研究院編寫了比對實施細則初稿，2011年5月在濟南市召開了比對實施細則研討會，參比實驗室代表和特邀專家就比對實施細則進行了討論，確定了比對實施細則。

    根據(jù)《比對實施細則》，制定了比對路線、比對樣品的運輸方式、比對的環(huán)境條件、比對試驗點、測量不確定度主要分量以及有關(guān)注意事項等。

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

    參比實驗室均出具了的比對實驗報告的書面版和電子版以及校準證書等技術(shù)資料，共同進行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，完成了比對總結(jié)報告的編寫。

  2.3 比對試驗

    （1）比對試驗內(nèi)容和方法

    根據(jù)國家計量檢定規(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，要求的試驗水溫為（50±5）℃。由于兩參比實驗室均為國家型式評價授權(quán)實驗室，不僅承擔著檢定工作還要承擔型式評價試驗任務(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算器）。比對中，試驗水溫分別為室溫（30℃±3℃）、（50℃±3℃）、80～85℃；流量比對采用質(zhì)量法和標準表法，比對點分別為qp（1－2.5%）、0.3qp（1±2.5%）、0.1qp（1±2.5%）、qi～1.05qi，共計四個比對點（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℃，共計三個比對點。每個比對點進行6次試驗，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)指標表

    （3）比對設(shè)備

表2 參比實驗室檢定裝置情況表

  3 比對數(shù)據(jù)及評價

    3.1 試驗數(shù)據(jù)及報告

    兩個參比實驗室均按照要求格式提交了實驗報告，報告中給出了各比對點的測量值和測量不確定度，結(jié)果見表3和表4。

表3 山東省計量科學研究院比對數(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)果及其擴展不確定度表

表3-3 累積體積（標準表法）相對示值誤差測量結(jié)果及其擴展不確定度表

表4 山西省計量科學研究院比對數(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)果及其擴展不確定度表

表4-3 累積體積（標準表法）相對示值誤差測量結(jié)果及其擴展不確定度表

  3.2 參考值

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

    （1）

    式中：Yri為比對實驗第i個測量點的參考值；Yji為第j個實驗室上報的第i個測量點上的測量結(jié)果；uji為第j個實驗室宣稱的第i個測量點測量結(jié)果的標準不確定度。

    （2）參考值參考值Yri的標準不確定度按式（2）計算：

    （2）

    （3）參考值及其擴展不確定度

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

表5 參考值及其擴展不確定度表

表5-1 熱量參考值及其擴展不確定度表

表5-2 累積體積（質(zhì)量法）參考值及其擴展不確定度表

表5-3 累積體積（標準表法）參考值及其擴展不確定度表

  3.3 參比實驗室測量值與參考值的差值

    （1）表6給出了兩個參比實驗室的測量結(jié)果與參考值在各比對實驗點的差值。

表6 參比實驗室測量結(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（標準表法）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)定性帶來的標準不確定度

    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)值計算其標準不確定度，按均勻分布，則比對樣品的不穩(wěn)定性帶來的標準不確定度為。對于熱量比對點均可視為0.03%；對于質(zhì)量法流量點可視為0.06%；對于標準表法流量點可視為0.09%。該項實驗由威海市天罡儀表有限公司完成并提供測量結(jié)果。

    （3）差值的標準不確定度

    差值的標準不確定度是參考值的標準不確定度、參比實驗室宣稱的標準不確定度以及比對樣品的不穩(wěn)定性引起的標準不確定度的合成，差值的合成標準不確定度uΔ可由下式計算得出。

     （3）

    式中：urj為比對實驗第i個測量點參考值的標準不確定度；uji為第j個實驗室第i個測量點的標準不確定度；us為比對樣品不穩(wěn)定性帶來的標準不確定度。

    取包含因子k=2，得到差值的擴展不確定度為：UΔ=2×uΔ。

    參比實驗室測量值與參考值之差值的擴展不確定度見表7。

 3.4 比對結(jié)果的評價

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

     （4）

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

    參比實驗室的En值見表8和圖1至圖5。

表7 參比實驗室測量結(jié)果與參考值之差值的擴展不確定度表

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

表7-3 累積流量（標準表法）測量值與參考值之差值的擴展不確定度（k=2）表       %

表8 參比實驗室測量結(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（標準表法）測量結(jié)果歸一化偏差En值表

圖1 參比實驗室熱量比對結(jié)果的En與等效限圖

圖2 參比實驗室流量比對結(jié)果的En與等效限（80888883）圖

圖3 參比實驗室流量比對結(jié)果的En與等效限（80888884）圖

圖4 參比實驗室流量比對結(jié)果的En與等效限（72120025）圖

圖5 參比實驗室流量比對結(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驗數(shù)據(jù)考查、統(tǒng)計情況、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點處與參考值的差值最大，為+0.31%（72120025）；山西院在水溫30℃、0.3qp點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點上的測量重復性不是很好，差值的擴展不確定度最大達到了1.35%。

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

    （4）本次比對樣品在部分試驗點上的重復性的影響較大，最大為0.60%，但也完全滿足規(guī)程中對重復性的要求（qp點處，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驗室的檢定能力同時也要對比對樣品進行考查，在今后的比對中，建議使用容積式流量計或電磁流量計作為比對樣品。

 5 比對結(jié)論

    根據(jù)比對結(jié)果，參比實驗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)，說明兩個實驗室的量傳是可靠的。結(jié)合日常的工作實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）標準表法檢定時，不同的水溫會對標準表帶來影響；由于電導率的因素，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，由于在夾表器處和管路的變徑處可能會有氣團產(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；超聲波熱量表瞬時流量不穩(wěn)定性，重復性不好等問題。

    （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算器誤差之和，但在實際測量過程中，有時不相等，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)認真分析并加以解決。