大口径热量表标准装置比对

大口径热量表标准装置比对

1 比对的目的和意义

    热量表是一个用于贸易结算的强检计量器具，对我国供热计量改革和企业的节能工作发挥着重要作用，随着改革的不断深入、热量表生产企业技术和能力的不断进步以及社会的需求，作为供热主管网、换热站和楼宇主管道的计量器具（大口径热量表）得到了广泛的应用。

    山东省计量科学院和山西省计量科学研究院于2010年分别建立了大口径热量表检定装置，通过了计量标准考核，并取得了国家质检总局的型式评价授权，两套检定装置的建成和使用，反映了目前我国在大口径热量表检测方面的技术能力。

    为了客观、公正、科学地反映目前山东省计量科学研究院和山西省计量科学研究院大口径热量表的检定工作现状，准确地了解两院大口径热量表检定装置测量值的准确可靠程度，考查检定人员技术水平，实现热量量值传递的准确可靠，经过两院的认真协商和内部相关部门的核准，两院相关实验室对大口径热量表进行了比对工作。通过此次比对工作可以对两实验室检定能力有一个相互的了解，技术上取长补短，共同进步，为推动我国的大口径热量表计量技术进步做出应有的贡献。

  2 比对的组织

    2.1 比对实验室

    参比实验室为山东省计量科学研究院和山西省计量科学研究院，不设主导实验室，两院共同完成比对方案的制定、比对实施细则的编写、比对数据的汇总、评估以及比对总结报告的编写工作，威海市天罡仪表有限公司负责比对样品的制作和比对前后数据的验证等工作。

  2.2 比对流程

    在确认了比对意向和两个实验室主管部门批准后，山东省计量科学研究院编写了比对实施细则初稿，2011年5月在济南市召开了比对实施细则研讨会，参比实验室代表和特邀专家就比对实施细则进行了讨论，确定了比对实施细则。

    根据《比对实施细则》，制定了比对路线、比对样品的运输方式、比对的环境条件、比对试验点、测量不确定度主要分量以及有关注意事项等。

    威海市天罡仪表有限公司制作并提供了比对样品，并进行了比对前的实验，由于考虑到参比实验室的日常工作安排等因素，比对实验时间没有固定，两实验室比对结束后，将比对样品送回威海市天罡仪表有限公司，并进行了比对后的试验。

    参比实验室均出具了的比对实验报告的书面版和电子版以及校准证书等技术资料，共同进行了数据统计和分析，完成了比对总结报告的编写。

  2.3 比对试验

    （1）比对试验内容和方法

    根据国家计量检定规程JJG225―2001《热能表》，热量表的检定方法有总量检定法、分量检定法和分量组合检定法等三种，要求的试验水温为（50±5）℃。由于两参比实验室均为国家型式评价授权实验室，不仅承担着检定工作还要承担型式评价试验任务，所以本次比对采用的方法为分量法（流量传感器）和分量组合法（配对温度传感器和计算器）。比对中，试验水温分别为室温（30℃±3℃）、（50℃±3℃）、80～85℃；流量比对采用质量法和标准表法，比对点分别为qp（1－2.5%）、0.3qp（1±2.5%）、0.1qp（1±2.5%）、qi～1.05qi，共计四个比对点（qp为常用流量；qi为最小流量）；热量比对采用配对温度传感器和计算器组合法，出口温度θd=（40±1）℃，模拟流量为0.3qp（1±2.5%），温差为Δθmin≤Δθ≤1.2Δθmin、14.5℃≤Δθ≤15.5℃、39.5℃≤Δθ≤40.5℃，共计三个比对点。每个比对点进行6次试验，取其平均值作为比对结果。

 （2）比对样品

    比对样品由金湖力科仪表有限公司制作并提供，规格为DN80和DN200各两块。

表1 比对样品的主要技术指标表

    （3）比对设备

表2 参比实验室检定装置情况表

  3 比对数据及评价

    3.1 试验数据及报告

    两个参比实验室均按照要求格式提交了实验报告，报告中给出了各比对点的测量值和测量不确定度，结果见表3和表4。

表3 山东省计量科学研究院比对数据汇总表

表3-1 热量相对示值误差测量结果及其扩展不确定度表

表3-2 累积体积（质量法）相对示值误差测量结果及其扩展不确定度表

表3-3 累积体积（标准表法）相对示值误差测量结果及其扩展不确定度表

表4 山西省计量科学研究院比对数据汇总表

表4-1 热量相对示值误差测量结果及其扩展不确定度表

表4-2累积体积（质量法）相对示值误差测量结果及其扩展不确定度表

表4-3 累积体积（标准表法）相对示值误差测量结果及其扩展不确定度表

  3.2 参考值

    （1）本次比对参考值采用相对示值误差，计算方法采用通用的各实验室测量值加权平均法，计算公式采用式（1）。

    （1）

    式中：Yri为比对实验第i个测量点的参考值；Yji为第j个实验室上报的第i个测量点上的测量结果；uji为第j个实验室宣称的第i个测量点测量结果的标准不确定度。

    （2）参考值参考值Yri的标准不确定度按式（2）计算：

    （2）

    （3）参考值及其扩展不确定度

    根据以上公式计算出了本次比对的参考值及其扩展不确定度，结果见表5。

表5 参考值及其扩展不确定度表

表5-1 热量参考值及其扩展不确定度表

表5-2 累积体积（质量法）参考值及其扩展不确定度表

表5-3 累积体积（标准表法）参考值及其扩展不确定度表

  3.3 参比实验室测量值与参考值的差值

    （1）表6给出了两个参比实验室的测量结果与参考值在各比对实验点的差值。

表6 参比实验室测量结果与参考值的差值表

表6-1 热量相对示值误差测量结果与参考值的差值表       %

表6-2 累积体积（质量法）相对示值误差测量结果与参考值的差值表    %

表6-3 累积体积（标准表法）相对示值误差测量结果与参考值的差值表      %

    （2）比对样品不稳定性带来的标准不确定度

    在比对过程中，比对样品经过了多次“冷”和“热”的过程以及运输等方面原因，比对样品的测量值会发生变化，取比对前与比对后最大变化的数值计算其标准不确定度，按均匀分布，则比对样品的不稳定性带来的标准不确定度为。对于热量比对点均可视为0.03%；对于质量法流量点可视为0.06%；对于标准表法流量点可视为0.09%。该项实验由威海市天罡仪表有限公司完成并提供测量结果。

    （3）差值的标准不确定度

    差值的标准不确定度是参考值的标准不确定度、参比实验室宣称的标准不确定度以及比对样品的不稳定性引起的标准不确定度的合成，差值的合成标准不确定度uΔ可由下式计算得出。

     （3）

    式中：urj为比对实验第i个测量点参考值的标准不确定度；uji为第j个实验室第i个测量点的标准不确定度；us为比对样品不稳定性带来的标准不确定度。

    取包含因子k=2，得到差值的扩展不确定度为：UΔ=2×uΔ。

    参比实验室测量值与参考值之差值的扩展不确定度见表7。

 3.4 比对结果的评价

    本次比对结果通过归一化偏差En值来进行评价，其计算公式为：

     （4）

    比对结果一致性的评判原则为：，表明参比实验室的测量结果与参考值之差在合理的预期之内，比对结果可接受；则参比实验室的测量结果与参考值之差没有达到合理的预期，应分析原因。

    参比实验室的En值见表8和图1至图5。

表7 参比实验室测量结果与参考值之差值的扩展不确定度表

表7-1 热量测量值与参考值之差值的扩展不确定度（k=2）表         %

表7-2 累积流量（质量法）测量值与参考值之差值的扩展不确定度（k=2）表        %

表7-3 累积流量（标准表法）测量值与参考值之差值的扩展不确定度（k=2）表       %

表8 参比实验室测量结果归一化偏差En值表

表8-1 热量测量结果归一化偏差En值表

表8-2 累积流量（质量法）测量结果归一化偏差En值表

表8-3 累积流量（标准表法）测量结果归一化偏差En值表

图1 参比实验室热量比对结果的En与等效限图

图2 参比实验室流量比对结果的En与等效限（80888883）图

图3 参比实验室流量比对结果的En与等效限（80888884）图

图4 参比实验室流量比对结果的En与等效限（72120025）图

图5 参比实验室流量比对结果的En与等效限（72120028）图

  4 比对结果分析

    通过对本次比对的实验数据考查、统计情况、并结合图表等形式，我们作出以下分析和判断：

    （1）热量相对示值误差测量结果中，两院在15K点处与参考值的差值最大，山东院为+0.17K（72120028）；山西院为+0.13K（72120025）。由于3K温差对相对误差来说要求较高，所以差值的扩展不确定度也较大，为0.63%～0.81%。

    （2）累积体积（质量法）相对示值误差测量结果中，山东院在水温80℃、qi点处与参考值的差值最大，为+0.31%（72120025）；山西院在水温30℃、0.3qp点处与参考值的差值最大，为+0.36%（72120028）。由于比对样品在一些试验点上的测量重复性不是很好，差值的扩展不确定度最大达到了1.35%。

    （3）累积体积（标准表法）相对示值误差测量结果中，山东院在水温30℃、qi点处与参考值的差值最大，为+0.31%（80888883）；山西院在水温80℃、qp点处与参考值的差值最大，为－0.24%（72120028）。同样在标准表法中比对样品在一些试验点上的测量重复性也不是很好，差值的扩展不确定度最大达到了1.41%。

    （4）本次比对样品在部分试验点上的重复性的影响较大，最大为0.60%，但也完全满足规程中对重复性的要求（qp点处，1.01%）。考虑到超声波热量表应用较为广泛，本次比对不仅要考核参比实验室的检定能力同时也要对比对样品进行考查，在今后的比对中，建议使用容积式流量计或电磁流量计作为比对样品。

 5 比对结论

    根据比对结果，参比实验室给出的测量值与参考值相比没有明显的偏差，不确定度评定基本合理，比对结果都在等效限内，说明两个实验室的量传是可靠的。结合日常的工作实践和检定装置的使用情况以及对热量表的了解，提出一些测量中的影响因素和问题。（1）标准表法检定时，不同的水温会对标准表带来影响；由于电导率的因素，水质会对测量有影响；调节阀的安装位置和开度对流场的干扰，也会对测量有影响；由于还没有统一的通讯协议，读数的影响也不可忽略。

    （2）质量法检定时，由于在夹表器处和管路的变径处可能会有气团产生；换向器的结构不同和启停效应对大口径热量表的检定都有影响。

    （3）热量表温度传感器插入表中后，对流场造成干扰，影响测量结果；超声波热量表的测量和水温有关，生产企业注重了温度传感器的配对，忽视了温度测量；超声波热量表瞬时流量不稳定性，重复性不好等问题。

    （4）分量组合检定法，理论上，热量的误差等于流量的误差与配对温度传感器和计算器误差之和，但在实际测量过程中，有时不相等，甚至差距较大。

    以上一些影响因素，应尽量克服；一些问题应认真分析并加以解决。