临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置的工作原理

装置介绍
临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准的工作原理如图1所示。实验室现有3套准确度等级相当的临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置，装置的测量范围以及配置的喷嘴数量见表1，其中装置1中的临界流文丘里喷嘴配置情况见表2。
1.2   核查方法设计
1.2.1   喷嘴（组）比对核查法
装置1共有29只喷嘴，喷嘴的名义流量从1 m3/h以2的幂次方逐级增加到1024 m3/h，外加3只1250 m3/h喷嘴。最大的单只喷嘴名义流量为1250 m3/h，但通过29只喷嘴的并联使用后，装置的最大流量可达21157 m3/h，量程比达到20000∶1以上。无论是通过内部质量监控还是外部质量监控手段，均无法通过一种核查标准覆盖装置的全部测量范围。因此本文通过对装置内两组以上名义流量接近的喷嘴或喷嘴组进行比对，实现装置中所有喷嘴的核查，间接覆盖到装置测量范围的上下限。

以装置1为例，进行详细的喷嘴（组）的比对核查方法设计，基本原则是每只喷嘴在方案中至少使用一次。根据喷嘴和核查标准的规格，共设计5个名义流量相当的流量点，每个流量点至少有2种喷嘴组合方式。1024 m3/h流量点共有17种组合方式，1250 m3/h流量点至少有4种组合方式，其中2-6-7-8-11组合中的11号喷嘴可以替换为12～26号喷嘴中的任意一只。具体的比对流量点及喷嘴组合方式如表3所示。
分别使用不同的喷嘴（组）作为主要计量器具，测量核查标准的仪表系数。例如首先使用1～7号喷嘴，待流量稳定后，系统自动测量该流量点下的流量计仪表系数。随后在短时间内，使用8号喷嘴，待稳定后，测量该流量点下的流量计仪表系数。依次按照表3的比对方式逐一测量。同时为了减少由于环境变化以及安装情况不同造成的测量偏差，上述试验应由同一检测人员在短时间内完成，且在实验过程中不重复安装核查标准。

对于每个流量点，至少有m种组合方式（m≥2），每种方式测量3次，取3次测量的算术平均值记为xi，取m组数据的算术平均值作为参考值xr，计算方法见式（1）。核查的判断标准如式（2）所示，其中Urel,i为xi的相对扩展不确定度（k=2）。当式（2）不成立时，说明装置中的部分计量标准器（喷嘴）系统出现异常，应及时采取行动排查原因，必要时可对喷嘴进行清洗、检定等。

xr=1m∑i=1mxi
(1)
|xi?xr|xr×100%?m?1m??????√Urel,i
(2)
式（2）是计量标准建标考核时要求的检定或校准结果的验证方法之一[10]，常用于不同实验室间的比对，而本方法的主要目的是验证使用不同喷嘴（组）作为标准器时测量结果的可信度，因此可以将不同的喷嘴组视为不同设备之间的比对。此时，组数m越大，则结果的可信度越高。因此，在设计标准装置期间核查方案时，要根据装置的喷嘴配置情况，尽可能地设计出多组流量接近的喷嘴（组），确保比对核查的可靠性。

装置2和装置3按上述方法进行喷嘴(组)比对核查，本文不再详细展开。

1.2.2   多套装置比对核查法
由于3套装置测量原理相同，准确度等级相当，可以采用比对法对3套装置进行核查试验。在短时间内相同条件（包括操作人员、环境条件、操作步骤等）下，用上述3套装置分别对核查标准重复测量10次，取10次的算术平均值作为每套装置的测量值yj，并计算其相对扩展不确定度Urel,j（k=2）。按式（3）计算3套装置的测量算术平均值y?。

y?=13∑j=13yj
(3)
核查的判断标准如式（4）所示。

yj?y?y?×100%?n?1n?????√Urel,j
(4)
式中，n=3，当式（4）不成立时，说明该装置偏离了检定或校准状态，需要停用设备，分析查找原因，并对装置的计量性能做进一步的验证。

1.3   核查标准的选择
选择一台天信仪表集团有限公司生产的DN150的涡轮流量计作为核查标准，测量范围为80～1600 m3/h。该流量计为本实验室的专用核查表，不用作其他用途，以保证其稳定状态。