改进流量计校准

校准流量计是任何良好控制过程的重要组成部分。然而，精确的仪表校准不仅需要精确的校准器，还需要精确的测量粘度的方法。除了在校准数据表上指示粘度值外，校准实验室并不总是公开其粘度测量方法。

背景

校准是将设备读数与可追溯标准进行比较。建立这种关系的过程是一组相互关联的测量和操作，它们提供了比较。流量测量不依赖于单个参数，也不依赖于基于流量的校准。

流体的体积或质量流量的测量取决于建立代表所有变量的可验证的测量。流量测量可以是随时间收集的量或实际流量。

如果温度测量不正确，校准标准所测量的体积可能与通过被测仪表的体积不同。温度影响流体粘度、密度和被测流量计的通径。流体变量的这种组合，再加上它们的测量精度及其对校准标准的影响，将影响最终校准结果的不确定性(参见图1)。

理解粘度

粘度是流体内部或分子间抗剪切力的一种度量，它会影响管道中的速度分布。当观察在两个板块之间流动的流体时，剪切应力是施加在顶部板块上的力与板块面积之间的关系。因此，τ(剪切应力)= F/A。剪切速率考虑了两板之间的高度加上顶板的速度，或γ(剪切速率)= v/h。动态粘度为剪切应力τ /剪切速率γ。这些方程适用于理想流体或牛顿流体。

什么是牛顿流体?这些流体具有与剪切应变速率线性相关的剪切应力。它们被称为“真正的液体”，因为它们的粘度不受剪切的影响，例如在搅拌或泵送中发现的剪切。大多数常见的流体，如水和碳氢化合物，都被认为是牛顿流体。

有些流量计对粘度比其他流量计更敏感。但在某种程度上，它们都受到影响，因为粘度改变了流动剖面。不可否认，知道液体的粘度是液体流量计校准中最重要的部分之一。

粘度测量可以通过使用几种方法来完成，这些方法在设备成本和测量时间上有所不同。测量粘度最广泛使用的仪器是玻璃毛细管(ASTM D445)，旋转(ASTM D2983)和Stabinger (ASTM D7042相当于D445)粘度计。Stabinger高精度粘度计需要清洁的过滤液以达到更高的精度(见图2)。

流量校准设施不能，也不会为每次校准使用客户指定的液体。这不仅极其耗时，而且对环境不友好，而且成本高得令人望而却步，而且可能有危险。因此，校准设施使用溶剂/油混合物，其测量的运动粘度与客户的流体相匹配。这是基于雷诺数关系(雷诺数，或R)_e(是一个无量纲量，用于帮助预测不同流体流动情况下的相似流动模式)。

R_e= (ρ x V x D)/µ

在R_e为雷诺数，ρ为密度，D为管道直径，µis为动力粘度。

正位移(PD)流量计校准器中的流体粘度值是使用温度/粘度表生成的，该表通过输入两个不同温度点的实际运动粘度值而得到。温度传感器内置于校准器管道中，提供用于从温度/粘度表中提取粘度值的实际流体工作温度。然后记录在仪表的整个校准流量范围内收集的每个数据点的实时流体温度和粘度值。值得注意的是，在闭环校准系统中，流体在管道中连续循环时温度会升高。

因此，校准的精度取决于:

• 粘度计测定的初始流体粘度测量值
• 校准过程中流体温度测量的准确性。

了解更多有关校正数据及选择校正设施的建议。

对校准数据的影响

在工业中有许多类型的液体流量计，包括PD，转子流量计，涡轮，压差，孔板和科里奥利。在某种程度上，粘度和密度对被校准流量计的类型有或大或小的影响。在每种情况下，了解被测流体的工作粘度和密度对于建立可靠的校准至关重要。

当在非线性但可重复的区域使用涡轮流量计时，粘度变得更加关键。在校准过程中必须复制粘度和密度，以产生准确的校准数据。之所以提到密度，是因为科里奥利流量计需要计算体积流量，这与涡轮流量计一样，需要流体密度来计算质量流量。重要的是要注意，密度和粘度会随着温度和压力的变化而变化。因此，校准器数据采集系统必须补偿这些变量，并以所需的测量单位实时计算流量。

当试图查看粘度对校准数据的影响时，一个很好的例子是查看非线性但可重复(±0.25%)的校准，低流量涡轮流量计的范围为0.125至1.25加仑每分钟(gpm)。涡轮流量计使用转子测量流量，转子自由旋转，转速与流体的速度和粘度成正比。图1显示了一个非线性的低流量涡轮流量计，这将是最坏的情况。仪表越线性，它对粘度变化的敏感性就越低(见图3)。

图3中的流量计要用1.2厘斯托克(cSt)的流体粘度进行校准。当校正数据中仅插入1 cSt的误差时，图向左偏移，导致1.9%的k因子偏移。没有适当设备或程序的实验室很容易测量出10%的粘度误差。其他类型的仪表，如转子流量计，对密度和运动粘度很敏感，其中密度项是计算体积流量方程的一部分。

粘度如何变化?MIL-PRE-7024F II型标准溶剂的新55加仑桶的粘度在1.12和1.22 cSt之间，如收到的(方差大于8%)。随着时间的推移，溶剂中较轻的元素蒸发，从而增加了粘度。粘度也会受到校准器管道和过滤器清洁度的影响。如果以前在校准器中使用了粘度更高的流体，并且冲洗周期不足，那么现在1.12 cSt的流体可能会有所不同。因此，测量流体粘度最好是从校准器而不是滚筒中出来的。粘度误差有多种原因，最糟糕的是根本不测量它。

当向校准实验室询问其主要标准校准器的不确定度时，也询问粘度和密度测量的不确定度是明智的。两者齐头并进，产生真正代表仪表技术能力的最佳校准数据。

不同的实验室会有不同的偏向，相对于美国国家标准与技术研究院(NIST)。实验室可能会纠正偏差，也可能不会，这取决于他们是否参加了NIST的循环练习或将他们的检查标准仪表发送给NIST进行定期校准。提醒一下，精度是重复流量值的能力，偏差是它离真正的NIST值有多远。因此，需要精度和偏差相关性来提供正确的流量校准。

选择校正设施

认可的校正实验所NIST的国家自愿实验室认可计划(NVLAP)将其校准器的不确定度记录在其认可范围内。其校准器的不确定度或精度可在NIST的网站。该信息提供了用于校准客户流量计的每个校准器的不确定度。

NVLAP提供了一个公正的第三方评估和对绩效的认可。此认证表明实验室已证明其操作符合NVLAP管理和技术要求，涉及质量体系、人员、住宿和环境、测试和校准方法、设备、测量可追溯性、采样、测试和校准项目的处理以及测试和校准报告。

NVLAP设施是完全符合标准的国际标准化组织(ISO)和I国际电工委员会(IEC),包括ISO/IEC 17025-2005:测试和校准实验室能力的一般要求;并符合ANSI/NCSL Z540.3-2006:测量和测试设备校准要求。这种类型的设施将有适当的流程和程序，以确保一致性和可重复的校准，包括粘度和密度测量。

认可的校准服务实验室的表现完全取决于其测量和向客户提供准确流量计数据的能力。当涉及到通过仪表精确测量液体流量时，必须在校准器中知道和控制粘度。通常，客户不会考虑校准实验室测量粘度的方法以及测量粘度的设备的准确性。然而，校准实验室无法准确测量测试流体的粘度，无论是由于设备还是方法，都可能导致增加的不确定性，从而可能导致校准结果不充分。因此，在选择校准服务时，知道并考虑粘度测量方法是至关重要的。

使用正确的设备

流量校准器技术中一些最显著的改进涉及PD校准器的发展。PD系统是动态的初级标准校准器，它考虑到流量计运行的不同条件。这些校准器能够准确地测量流体温度和正确的密度，粘度和其他变量，可以改变一个仪表的输出。因此，它们通常可以在流量为+/-0.05%的液体中实现不确定性(见图4)。

初级标准PD系统的核心是一个精密珩磨，镀镍铬，抛光气缸与活塞和密封。活塞通过密封连接到从气缸流出的研磨抛光轴上。轴连接到一个高分辨率线性编码器(百万分之一英寸)，跟踪活塞位移。等静力，稳态，连续流动和无泄漏条件，尽可能接近理想，以获得±0.05%的读数或更好的不确定度。

知道了气缸的精确直径和行程速度就决定了流量。这也意味着必须知道钢瓶的温度，以补偿影响体积的热膨胀或收缩。这些变量被测量并用于算法中，以提供非常精确的实时体积流量数据。

用户在选择涡轮电表的校准服务时应注意，它只使用水作为校准介质。水是磨蚀性的，会造成额外的流量计轴承阻力，这在碳氢化合物应用中是不存在的。目前还没有一种计算方法可以开发出具有粘度润滑变量的新k因子或校准曲线。经验数据用于开发转换系数，该系数仅适用于单个流量计设计，与其他仪表制造商的设计无关。转子设计或轴承材料的任何变化都将使相关因子失效。水和乙二醇混合物正在成为最小化有毒废物的考虑因素，以及蒸汽气味和火灾危险的问题。乙二醇提供润滑性，可以在水中混合，以发展各种运动粘度进行校准。

下一个步骤

拥有具有可观不确定度的主要标准流量校准设备是任何校准服务实验室的要求。粘度和密度的支持测量不能妥协。校准结果取决于过程中进行的每一次测量，应特别注意粘度。大多数粘度测量方法依赖于操作人员和工艺，因此容易出现潜在的误差。必须仔细注意主要标准校准实验室的选择和用于一致地产生可重复结果的过程。nvlap认可的校准实验室通过流程和审核来验证能力，从而提供保障。

由于粘度是任何流量计校准服务实验室的重要组成部分，因此不仅要寻求校准器不确定度认证，而且要注意精确的粘度校准技术的必要性。粘度误差导致无法检测的流量校准偏移和准确仪表历史的损失。

罗恩·麦迪逊是校准器销售和市场经理，考克斯流量测量的划分獾计。他在精密测试和测量仪器方面拥有丰富的经验，特别是在流量计方面。

本文发表在应用自动化补充的控制工程
和设备工程。

-参见下文增刊中的其他文章。

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