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 技术论文


改善流量测量技术向工业的传递

E.A.Spencer 博士O.B.E.(苏格兰)

  摘 要
  会议的副标题为本文提供了题目,也就是以一个在政府研究机构工作了四十年的人的观察,来研究工业方面的某些需要。
  利润动机的影响力决定了工业必须力求节约,而由于流量的准确测量通常是困难而昂贵的,所以往往把它置于其他因素之后的次要地位。为了说明在试图得到准确结果的过程中可能发生的问题,作者使用了他参加过的许多比对试验的例子,它们证明了这样一个经常被遗忘的事实:在流量测量中会出现非常显著的系统误差,这个误差远远超出测量人员的预料,甚至在这些测量人员具有丰富经验时也会发生。
  用户所进行的测量的品质好坏,取决于对他的过程和回路所处环境中的工况的可靠预测。进行这些预测的试验装置的可溯源性是必不可少的,在实行测量中的不确定度的现实评估必须强制去做。这样才能形成一个保质保量的生产健全基础。


引  言


  以往各届FLOMEKO会议都有这样一个目的,就是在工业界、科学界和政府部门从事流量计量的同行们各自不同的需求之间建立一座桥梁。本次会议也不例外,看一下日程表中的主题就会明白,不过会议的组织者特意给FLOMEKO'93一个副标题"改善流量测量技术向工业的传递",并且要我来论述这个题目。这个副标题是要让科学界和政府部门的同行们承担责任,保证他们作出的贡献也能实际地进入工业界的营运。
  作者的背景是从1950年起在政府的研究实验室里工作,并且四十多年来一直参与国内和国际的标准化工作,这些经历必然地影响到他对于如何才能最佳地实现技术的传递所作出的判断。对工业有用的和已被工业中使用的工作的是非常重要的,但是还有其他一些与保护个别个体消费者有关的职责也很重要。本文中,作者依然只能专注于这一复杂模型的少数几个特殊部分。


工  业


  词典上对工业的定义是"一种与制造、提炼和加工原材料或建设有关的有组织的经济活动"。"经济"一词的基本要素在逻辑上讲就是利润。在对工业起激发作用的诸多因素之中,利润动机位列前茅。1960年初,作者给苏格兰大学一个系一份合同,要弄清楚流量测量中的准确度对于工业的价值。他们散发了一张调查表作为其调查工作的一部分,对收件人相信他能以多高的准确度去进行测量以及证明他这样说的根据的问题的回答,如此混淆不清程度,令人非常困扰不安。
  对于作者说来,此次调查的主要结果之一,是更加急切增加关于安装对流量计的影响的研究课题的数目。另外一个结果是促使他反对过高评价每一次流量测量所隐含的不确定度。
  所以,如果会议的目的是要改善测量技术向工业的传递,那么这就成为在经济上可取的基础上采用更好的流量测量装量和测量技术的理由,"代价-准确度怎么样",既是问题又是回答。


时间与成本


  或许现实一点地说,在工业中流量测量的目的,是要得出品质(准确度等等)足够高的数据,从而能回答关于生产方面的一些具体问题。当然这应该以耗费最少的金钱和时间来达到。如果数据要求过于精确或者花费太长时间,那就意味着额外的费用而且是一种损失。如果对测量的品质有怀疑,或者如果所宣称的准确度水平是假的,而作出不正确的判断,也会使企业多花钱。所以对测量复杂程度如何的判断是极其重要的,然而往往对这个问题没有及早予以足够的注意。
  因此,一开始就应该作一个成本-效益分析。它必须调查:(a)现有的和需要采购的特殊测量仪表;(b)需要的辅助设备;(c)近来包括计算机硬件和软件的数据处理;d)进行测量、分析和产生一组可靠结果所需的人员数量及类型。必须记住,应该具备某些关于流体流动条件、回路的检查步骤和流动的稳定性方面的知识,这是至关重要的,否则任何成本-效益分析都会被误导和不准确。当发现所进行的测量的重复性不好时,在最好的情况下也需要反复测量,而在最坏的情况下就会使结论作废。
  所以往往只有一种过时的认识,认为测量是需要的,但测量的品质应该如何都没有清晰的概念,通常时间因素经常是决定性的因素。在这种影响的限制之下,很容易破坏能得到最佳结果的设备与人力的现实平衡,于是,将这些数据输入决策过程毫无意义,因为资料是可疑的。如果时间尺度较短以致在数据被适当地分析之前作决定的日期已经过去了,这反倒好些。
  那么,是哪些因素决定着工业中成功的流量测量呢?一个工业家可能把它们排定程序如 下:适度的成本;易于操作;可靠性,以及最后有足够的准确度。如果由科学家或政府部门来选择的话,这种排序很可能会不一样。


实际流动条件


  要知道,流量测量装置是在实验室条件下标定的,在流量实验室中流动是稳定的,流体是均匀构成的,并具有无横向流的充分发展的流速分布。如果所使用的是一个插入装置,则它很可能在一个毫无阻碍的水流中标完。当然,如果检测流量计的试验段不是一段能产生接近于理想条件的很长的直管道,则标定设备将被认为是不足取的。
  这样的条件是否能经常在工业环境下实现,可能从来也弄不明白,因为极少能有经费去用于检验流量计的上游条件。测量人员主要是依靠制造厂的仪表使用指南,或者可行的话依靠国家标准和国际标准,然而还有第三个来源那就是研究人员完成的研究报告。FLOMEKO会议为发表这些论文提供了绝好的机会。于是,技术的传递就可以通过这三条途径来完成。
  在检定实验室与环境之间建立联系的探索工作,通常是由研究人员来进行的。检定实验室必须评价流量测量装置在良好条件下的性能,因为流量计制造厂或供应商必须知道他的流量计的最佳性能特征。
  在实验室条件与现场条件之间,据作者看来,有两个主要差别,即安装影响与非稳定流。前者花一点代价可以消除,而后者由于工艺过程的本质可能是不可避免的。例如,若回路中的驱动力是往复运动的发动机或脉动发生器,则不稳定性是不可避免的,并且是极为不利的。在另一方面,因为回路通常设计成只占用最小的空间,所以弯头、阀门以及其它干扰造成漩涡和畸变,这样就出现了安装影响。
  显然,如果一开始就问这个问题:"流量测量有多重要?",而且改善测量所得到的好处超过附加的成本,则系统的设计就可以避免不良的安装和不稳定性,至少也能把它限制在一个可以接受的水平。这个问题应该在最初阶段就提出来,不论是大学论文、政府的分析或是工业的应用。十年前,发现在一个大学的测试装置上所做的许多博士研究论文,其中的流量计安装得很差。而且从来没有标定过。回顾及此是很有益的。


比对活动


  保证自己的所进行的测量的有效性,这个要求早就提出而且始终存在,但是,如果使用不同测量装置的两个测量人员说明同一件事情时有争议,那么就更重要了。在最近半个世纪以来,随着国际贸易的发展,有关各国的国家计量系统是独立的,分别根据溯源链溯源到各自的国家基准,这个问题的重要性就显著提高了。
  所以,关于校核数据有效性的科学上的需要,被保证运行等工业要求大大增强了,以致在流量测量领域中进行了许多次比对活动。在作者进入国家工程实验室(NEL)之前,在1940年末,作者就开始参与这项活动。1950年初,在文丘里流量计的特性数据中发现了异常、为国际ISO建议(那时就这样称呼)准备草案时使用了它。这导致作者与比利时Liege大学的Sch1ag教授一起编制了一个比对计划。那里Sch1ag教授是流量测量方面国际舞台上的关键人物。
  从此以后,作者或是通过英国的NEL,或者是通过欧共体的或联合国的计划,参与了十多次这种活动。每次活动都利用了以前的类似活动之后认识到的问题来细心规划,可是几乎每次活动都发生过某些不得不遗留下来而没有解决的意外因素。虽然每次这样的活动都达到了其主要目的,但也认识到额外的预防措施可能会产生出关于被测试的仪器设备的特性方面的有价值的附加信息。
  流量测量比对中所经历的困难,可以与台秤或天平的校验相比较来予以说明。校验台秤可以用一公斤砝码(或适当的倍数)作为传递标准,它是一个不活动的物体,能够(小心地)运来运去。它的质量是稳定的,在任何测量时刻都不变。然而在流量测量中,必须认识到工作状况是动态的而不是静态的。流体在管道中的流量并非完全恒定,即使它在一个或感觉到的时期内所显示的平均值看起来不变。此外,用作为传递标准部件的装置,几乎都不能与测试的工况独立无关。


早期的经验


  1950年的第一次与Liege大学的活动中[1],两台NEL制造的测水流量的文丘里流量计与其上下游直管段一起进行比对测试。整套流量计组送往Liege大学之前和送回后,在NEL的标定结果在0.2%以内相之符合,然而,有一台文丘里流量计,在Liege的测试结果与NEL相差大于0.3%。后来发现差异一部分是由于两个实验室测量文丘里流量计的尺寸略有不同,而且计算时,使用了不同的密度等物理数据。在以后的比对中,这些因素始终被小心地核对。
  十年后,作为确定当时国家标准和国际标准绘出的孔板系数数据的可靠性的研究的一部分,在NEL,Stuttgart大学和伦敦的Electrflo Metters之间进行比对。分别测试两套孔板组件[2]。对于大β比(d/D)的孔板,在整个测试系列中都出现了警报,散布范围大于3%,而对于小β比的孔板,Stuttgart和伦敦的值比NEL的高出1%。那时的国际标准与现在的一样,说这种孔板组件的系数可以以优于1%的准确度来预测而不必标定。实际上这些结果在很宽的范围内依赖于上游管路条件以及孔板和它的配件。


流量测量中的不确定度


  这些比对以及类似的比对工作,导致在这些预测计划中加强研究不确定度的来源。每个实验室都被有信心地宣称其测量优于0.2%。的确,许多测试实验室经常宣称能达到0.1%的准确度。当考察这些声称时,作者发现了可能出现系统变化的不确定度的"静态"来源,如:
  1)溯源到国家标准的可靠性;
  2)从手册、物理表格等查得的参量(例如水的密度)所带来的不确定度;
  3)由测试实验室的计量工作组具体测量流量计组件的差别(例如根据当地不同的惯例来测定平均直径)。
  另外,不久就明白了,还有一些伪静态的影响也是至关重要的。它们是:
  4)传递标准在测试周期内的变化(例如管子粗糙度的变化,孔板边缘锐度的变化);
  5)流量计组件中标准器件的定位的变化;
  6)流体进入流量计组件的流动分布在不同地点的变化,将对装置有系统性的影响。
  最后,还有因扰动、流动的不稳定性、测量的波动等引起的"动态"影响。


新近的发展


  可以用最近二十年来各种各具特色的活动[3-7]来说明上述变化。这些活动包括水测试、油测试和气体测试(在低压及高压下).可以看到有两个主要的因素在这些活动中被逐渐用来提高测试结果的置信度。它们是:(a)增加所使用的不同的传递装置的数目,(b)增加参与此活动的实验室的数目。
  使用许多传递装置可以令上述许多因素随机化,因而在不同地点取得的结果之间的差异不大可能归因于装置组件,而宁可归因于测试设备。扩大参与比对活动的设备的数目,在统计学上说来,使全部结果的平均值更接近于绝对真值。EEC高压气体装置比对活动[7]很好地说明了后面这一点,由于比对的结果,荷兰计量局彻底的追溯了他们的低压钟罩标准装置与Gasunie测试装置所使用的涡轮标准流量计之间的溯源链。找到了偏移0.2%的根源,并在0.25%的范围内达到完全符合一致。

 
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