氣體流量計的干式檢定

　　西安華恒儀表制造有限公司是掌握流量計核心技術的流量計生產儀表廠家，擁有自主的研發團隊和生產線?？梢宰灾餮邪l設計滿足各行業、各環境下的高精度流量計。今天和大家分享一下氣體流量計的干式檢定。

　　遺憾的是那種能對大流量氣體進行控制并且可利用標準流量計進行精確測量的裝置實在是太少了其運行費用也很昂貴。為了進行校準或檢定必須將流量計從管道上拆下來然后再送往標準裝置這對于操作者來說是一件很麻煩的事。在檢定費用本身已經很高的情況下操作者還必須面對拆卸、運輸這些流量計以及生產裝置停車等許多附加開支。特別是大口徑的檢定測試裝置的能力可能對其大流量的測試有所限制在一年中很短的時間(比如幾個月)內進行。在標準裝置上檢定流量計的優點在于流量計所有者能得到詳細說明流量計準確度的計量合格證書并能對流量計進行調整以減少其相對于檢定裝置的校準測量誤差或偏差。

　　然而如果考慮巨額的代價及操作上的缺點那種不要求把流量計送往檢定裝置就能進行校準或檢定的想法是極具吸引力的。對于孔板就已很好地確立了類似的實踐方法孔板的檢定就是根據對其幾何尺寸和安裝條件的檢查及對變送器及顯示儀表功能的檢查而進行的。這種方法已得到了世界范圍的認可。

　　二、超聲的原理

　　超聲的原理如圖1所示。

　　圖1氣體超聲流量計的工作原理在流體管道中安裝有2個能發送和接收超聲脈沖的傳感器其安裝方式使得一個傳感器發出的超聲脈沖能夠被另一個傳感器接收從而形成聲道。兩個傳感器輪流發射和接收脈沖超聲脈沖相對于氣體以聲速傳播。沿聲道順流傳播的超聲脈沖的速度因被測氣體流速在聲道上的投影(與其方向相同)而有所增加。而沿聲道逆流傳播的超聲脈沖的速度因被測氣體流速在聲道上的投影(與之方向相反)而有所減少。這樣就得到了超聲脈沖在順流和逆流方向上的傳播時間:

　　式中:L--聲道長度;

　　C--在被測介質(氣體)中的聲速;

　　Vm--流動介質(氣體)的流速;

　　--被測介質流動方向的矢量與聲道之間的夾角。

　　由式(1)和式(2)可以推導出計算被測氣體流速的表達式:

　　(3)值得注意的是被測氣體中的聲速在表達式中被消掉了這就意味著被測氣體流速的測量與被測氣體的性質(如壓力、溫度和氣體組分等)無關。

　　三、用單聲道流量計測量流量

　　若要測量被測氣體的體積流量需要被測氣體的流速與管道橫截面積相乘。當氣體流速在整個橫截面上都相同(即具有均勻的速度分布)時用上述方法計算得到流量準確值。然而由于實際情況并非如此這就需要引入一個與速度分布形狀有關的系數K進行修正。

　　圖2速度分布剖面的修正系數

　　Vm表示由超聲流量計測得的被測氣體的平均速度。這是沿聲程平均的線性加權的氣體流速。由此可以得出計算氣體流量的表達式:

　　(4)式中:A--管道橫截面積;

　　K--速度分布剖面的修正系數。

　　通過檢索文獻和自行研究INSTROMET建立起了雷諾系數(Re)與速度分布修正系數K之間的關系曲線如圖3所示。

　　該曲線適用于只有一個通過圓形管道中心聲道的聲道流量計。由于實際情況不同速度分布可能會表現出一定的差異從而導致速度分布修正系數K的不確定度。這一不確定度可以根據在大量測試中所得到的剩余誤差(如圖4所示)進行估計。從該關系曲線中可以看出對單聲道流量計雷諾修正系數不確定度的實際估計值約為1%左右。

　　圖3雷諾數Re與速度分布修正系數的關系曲線

　　圖4單聲道超聲流量計速度分布修正誤差的曲線

　　四、用多聲道超聲流量計測量流量

　　貿易輸送中一般使用多聲道流量計其原因是因為單聲道流量計速度分布修正系數的不確定度對貿易輸送計量而言是不可接受的。通過使用積分技術多聲道流量計能夠用多聲道數據提高速度分布修正的精確度。其在形式上可以用下式表示:

　　(5)除了大括號里的部分表示為多個聲道的積分外該表達式與單聲道流量計的表達式是一致的。式(5)中還包括有一個乘數F它表示一個修正系數該修正系數一般默認為l。但為了使流量計誤差達到最小還可以根據流量計的實流校準結果對這一系數進行調整。

　　五、干式檢定

　　流量計的干式檢定并不是其字面意義上的校準這是因為這種方法不是根據與某一標準或基準相比對來檢查測量結果并進行必要的調整因而用"檢定"一詞顯得較為恰當。與孔板的干檢方法相類似氣體超聲流量計干檢方法的基礎是:

　　l、幾何尺寸的檢定;

　　2、傳播時間差;

　　3、利用表格、公式或數學表達式建立氣體流量與被測變量的關系式。對于氣體而言有關的幾何參數可以像孔板流量計那樣測得很準確。而且可以運用相當簡單的數學方法對幾何量不確定度的影響進行全面的估計和分析。值得一提的是利用當代最新的電子線路和高質量的石英晶體振蕩器可以以等同于或優于差壓變送器的極好精度與穩定性進行時間的測量。有關INSTROMET公司氣體超聲流量計基本穩定性的例子如圖5所示。圖中示出兩條誤差曲線:一條是當新儀表初次使用時測得的另一條是儀表在線使用約2年后測得的。

　　根據實際應用的需要只在流量測量范圍內的小流量段對儀表進行了檢定。圖5數據表明該儀表具有很好的復現性。而在極低的流量情況下出現的較大變化(通常是隨機的)也是正常和可以接受的。

　　孔板流量計的流出系數和的速度分布修正系數是以實驗研究為基礎來確定的。由INSTROMET公司生產的超聲流量計具有一個不斷增加的試驗數據庫一些統計結果將在本文的后面提供。

　　圖51995年和1997年對同一臺12inQ.Sonic檢定所得到的兩條曲線六、干檢的不確定度作為干式檢定概念的一般基礎我們將探討被測氣體流量(體積或流量)的不確定度。用公式(5)可以推出每一個獨立參數或被測值的不確定度對被測流量總不確定度的影響。這一部分我們將要討論這些獨立參數和被測值的影響。

　　只有當根據流量檢定結果對儀表的讀數進行調整時才選用參數F?；诖罅髁繖z定測試的經驗這一參數在干檢時應設為其默認值(1)。由于干檢時參數F是一個常量因而它不伴隨有不確定度。這就可能出現一種矛盾因為根據實流檢定結果該變量必須被指定給一個不同于默認值的值。然而在實流檢定時該參數修正了(補償了)所有其它參數和變量引起的誤差。本文所提供的數據是以的實流檢定結果為依據的。作為這些實流檢定的結果修正系數F的默認值得到了調整。由于修正系數F的變化反映出當前生產過程導致的幾何形狀與尺寸參數的不確定度以及一些其它原因引起的不確定度因而這一調整系數的頻率分布成為校驗其它未經實流檢定的流量計的不確定度的有力工具。

　　1.速度分布修正系數的不確定度

　　根據圖4中所提供的曲線可以估計單聲道流量計的雷諾修正系數的不確定度為1.0%。根據INSTROMET公司對多聲道流量計和聲道配置的研究及測試結果我們估計5聲道流量計的雷諾修正系數的不確定度約為0.3%而對于3聲道流量計其不確定度約為0.4%。

　　2.表體幾何形狀和尺寸變化引起的不確定度

　　就表體幾何形狀和尺寸而言從公式(5)中可以看出對超聲流量計的精確度有影響的參數有:L--聲道長度--聲道傾斜角度A--管道橫截面積。聲道參數與超聲傳感器的前側位置及發送、接收超聲脈沖的表面有關。這一位置的確定要借助于傳感器的安裝管口(圖6中的C)尤其是管口表面的中心點(圖6中的3)(用作基準點)來完成。

　　為了估算聲道參數的不確定度我們需要看一下儀表的生產過程。為了簡便起見我們將以16in表體為例看一看單反射聲道的情況。

　　圖6是固定在數控機床(A)工作臺上的一個表體(B)。開始時表體的定位使得其中心位置(1)與機床的基準點(2)[其坐標為(00)]在同一直線上。

　　圖6表體加工裝置

　　為了對表體進行加工尤其是要將安裝管口C加工到所需要的尺寸把表體旋轉一個角度以坐標(xy)定義和加工安裝管口前側的基準點(3)。x表示工作的平移y表示安裝管口表面相對于機床基準點(00)的位置。這些加工參數需要在加工操作開始之前進行計算在每臺表體的加工過程還要對其參數進行檢查。其結果會寫入機加工車間所提供的合格證書里。

　　由一個獨立機構頒發的對其數據的準確度和相對于國家標準的可溯源性的合格證是可選的。根據所報告的加工參數可以計算出實際的聲道長度和角度。以一個16inQ.Sonic為例適用于它的數據有:

　　公稱口徑:406.4mm

　　對單反射聲道:

　　公稱聲道角度:60o

　　公稱聲道長度:469.27mm

　　傳感器安裝管口基準點定義為:

　　角度:60ox:101.60mmy:293.29mm

　　我們估算所得到的參數值的不確定度應滿足:

　　角度:0.05o。

　　x:土0.lmmy:土0.1mm

　　關于內徑的不確定度我們認為0.2mm應為實際值這取決于加工工藝如果有必要也能對其加以改善。根據公式(5)可以計算出每一個參數的不確定度的影響:

　　聲道長度L:0.06%

　　聲道角度:0.15%

　　橫截面積A:0.1%

　　當把所有這些因素加起來時我們得到了最差的情況單由體積幾何形狀和尺寸引起的不確定度就達到0.3%。但是由于這些影響中每一個都是由獨立誤差源引起的根據均方根法則求出總誤差為0.2%更為可取。

　　3.時間測量引起的不確定度

　　由傳播時間測量引起的不確定度可以通過對零讀數誤差和增益誤差的辨認來進行評估。

　　零點誤差與傳播時間測量的分辨率和傳播時間測量的小偏移量有關。這使得即使在氣體流速為零時可能引進一個傳播時間差。

　　由公式(4)可以推出如下適用的表達式:

　　(6)

　　式中:D--流量計殼體內徑;

　　C--氣體中的聲速;

　　--聲道傾斜角度;

　　t--時間差測量中的誤差;

　　v--被測氣體流速的誤差。

　　傳播時間測量的最大不確定度為10ns。在本例中(16in表體)采用如下數值:

　　C=400m/sD=0.4m

　　=60o

　　經過計算最終不確定度為1.6mm/s(氣體流速)。

　　在所處理的氣體流速范圍內(最大氣體流速30m/s)該誤差值可以被轉化為一個相對值(百分數)。圖7提供了作為氣體流速函數的絕對誤差(氣速誤差用m/s表示)和相對誤差(用%表示)的曲線圖。為了使其也適用于更小口徑的儀表圖中的絕對氣速誤差值被取為5mm/s。

　　圖中清楚地表明低流速時傳播時間測量的不確定度占據了支配地位。這就限制了儀表的最低工作點而對常規工作范圍沒有太大的影響。

　　傳播時間測量與時鐘信號有關。不管時鐘是快是慢都會對被測氣體的流速有一個成比例的影響。然而由于時鐘是具有高度穩定性的石英時鐘(準確度5ppm或0.005%)這一影響可以忽略不計。

　　4.流量計總的不確定度

　　在前面的敘述中已經說明對超聲流量計總的不確定度有重要影響的因素有:

　　速度分布剖面修正系數K0.3%;

　　表體幾何形狀閉(RMS)0.2%。

　　圖7由于傳播時間不確定度偏移所引起的絕對誤差和相對誤差兩個不確定度合成的最差情況是產生0.5%的總不確定度。由于這些不確定度源是相互獨立的我們可以用均方根法估計總的不確定度通過計算得到總的不確定度為:

　　這個數與最好成績的流量檢定裝置的不確定度(0.25%~0.3%)處于同一個數量級。

　　七、流量檢定結果

　　為了把流量計誤差集中在零軸線左右有必要對流量計進行調整我們根據大量的檢定結果計算出了那些需要調整的量的頻率分布。頻率分布情況如圖8~11所示。

　　由這些曲線進一步證實了所計算的不確定度約為0.5%。圖8是所有口徑流量計調整量的頻率分布。

　　上面表示調整量頻率分布的標繪圖(圖9、10、11)對于各種公稱口徑而言都是恒定的。這說明利用在被測公稱口徑中得出的計算方法干檢的概念也可以被外推到更大口徑的流量計。

　　主要是幾何形狀和尺寸在決定著超聲流量計的準確度和不確定度這一事實將在圖12和圖13中得到進一步的展示。這兩個曲線圖適用于在一次生產中得到的一批相同的流量計。

　　圖12是5聲道未做任何調整前得到的檢定結果。表體(測量管段)是同一批生產的產品。電路和變送器是從本公司產品中隨機選取與測量管段組裝在一起的。

　　圖8各種規格流量計的調整量的頻率分布

　　圖912in流量計調整量的頻率分布

　　圖1016in流量計調整量的頻率分布

　　圖1120in和24in流量計調整量的頻率分布

　　圖12調整前6個16in流量計的誤差曲線

　　圖13一組20in流量計的調整量

　　圖12、13說明加工允許公差引起的各單個流量計平均誤差分布的范圍和

　　我們以前計算得出的RMS值0.2%是一致的。

　　八、干檢方法

　　為了實現的干檢概念INSTROMER公司已經開發出一套完備的干檢方法。在這一部分我們將討論這一方法的實質。

　　在前面已經說明表體的幾何形狀和尺寸以及雷諾(剖面修正)系數是有關的不確定度的來源。

　　表體的幾何形狀和尺寸反映了聲道的幾何尺寸并且是用生產測量管段的機加工車間所提供的記錄中的數據計算出來的。

　　為了完成的檢定當把電路部分和超聲傳感器裝入表體時還要對其進行功能測試。這一測試將校驗它是否能夠很好地完成所有功能如:發射、接收和檢測超聲脈沖以及通過檢查石英時鐘的頻率檢查傳播時間測量的準確度。進一步的功能測試還包括根據氣體中測的聲速進行零流量測試和檢查。為了完成這些測試必須為配備盲法蘭并用壓縮空氣(或氮)對其加壓。

　　1.零點檢測

　　由于流量計配備了盲法蘭故測量管內不會有任何氣體流動而且所有聲道上測得的氣速都應該為零。只要流量計真能夠被隔離那么這一測試在安裝實際管線中的就能進行。但是根據我們的經驗隔離法的性能并不總是很好的而且很小的泄漏量也能產生雖小但可測量的氣體流量所以如果進行在線測試一定要特別注意避免上述因素引起的誤導結果因為溫度引起的流體對流也很容易出現并被誤以為是氣體流動。

　　2.聲速檢查

　　聲速檢查既可以作為功能測試進行也可以作為校驗的一項內容。當想要對流量計進行實流檢定時只需進行功能測試就足夠了而且這種功能測試用壓縮空氣(或氮氣)就可完成。當進行校準時需要用已知組分的氣體對流量計進行測試在實際情況下往往選擇氮氣。為了對現有壓力和溫度下期望得到的聲速進行精確的計算還需要進一步安裝準確的溫度和壓力測量裝置。要達到熱平衡狀態還需要有足夠的時間。

　　觀察到的聲速與聲速的期望值相比較會暴露聲道長度和傳播時間中的某種誤差然而由于已經在測試前檢查了石英時鐘的頻率后者是極不可能的。單聲道測得的聲速可能會略有差異但其平均值將非常接近期望值。一般情況下測量值與期望值之間的差異接近于0.l%。這一測試也可以在實際管線中進行但是關鍵的是要知道測試時氣體的精確組分同時還必須進行精確的溫度和壓力測量。

　　九、結論

　　如前所述干檢的概念可以像檢定孔板那樣被應用到超聲流量計的檢定中。根據本文中對不確定度的分析以及實流檢定所提供的結果證明該不確定度與最好結果的檢定裝置的不確定度處同一個數量級。我們認為有理由宣布為了確保流量計具有所規定的準確度將干式檢定的概念應用到超聲流量計中是切實可行的。根據已經得到的測試結果干檢的概念也可以外推到更大口徑的超聲。

　　以上就是氣體流量計的干式檢定的全部內容，如有疑問，可以隨時聯系我們。