气体流量计的干式检定

　　西安华恒仪表制造有限公司是掌握流量计核心技术的流量计生产仪表厂家，拥有自主的研发团队和生产线。可以自主研发设计满足各行业、各环境下的高精度流量计。今天和大家分享一下气体流量计的干式检定。

　　遗憾的是那种能对大流量气体进行控制并且可利用标准流量计进行精确测量的装置实在是太少了其运行费用也很昂贵。为了进行校准或检定必须将流量计从管道上拆下来然后再送往标准装置这对于操作者来说是一件很麻烦的事。在检定费用本身已经很高的情况下操作者还必须面对拆卸、运输这些流量计以及生产装置停车等许多附加开支。特别是大口径的检定测试装置的能力可能对其大流量的测试有所限制在一年中很短的时间(比如几个月)内进行。在标准装置上检定流量计的优点在于流量计所有者能得到详细说明流量计准确度的计量合格证书并能对流量计进行调整以减少其相对于检定装置的校准测量误差或偏差。

　　然而如果考虑巨额的代价及操作上的缺点那种不要求把流量计送往检定装置就能进行校准或检定的想法是极具吸引力的。对于孔板就已很好地确立了类似的实践方法孔板的检定就是根据对其几何尺寸和安装条件的检查及对变送器及显示仪表功能的检查而进行的。这种方法已得到了世界范围的认可。

　　二、超声的原理

　　超声的原理如图1所示。

　　图1气体超声流量计的工作原理在流体管道中安装有2个能发送和接收超声脉冲的传感器其安装方式使得一个传感器发出的超声脉冲能够被另一个传感器接收从而形成声道。两个传感器轮流发射和接收脉冲超声脉冲相对于气体以声速传播。沿声道顺流传播的超声脉冲的速度因被测气体流速在声道上的投影(与其方向相同)而有所增加。而沿声道逆流传播的超声脉冲的速度因被测气体流速在声道上的投影(与之方向相反)而有所减少。这样就得到了超声脉冲在顺流和逆流方向上的传播时间:

　　式中:L--声道长度;

　　C--在被测介质(气体)中的声速;

　　Vm--流动介质(气体)的流速;

　　--被测介质流动方向的矢量与声道之间的夹角。

　　由式(1)和式(2)可以推导出计算被测气体流速的表达式:

　　(3)值得注意的是被测气体中的声速在表达式中被消掉了这就意味着被测气体流速的测量与被测气体的性质(如压力、温度和气体组分等)无关。

　　三、用单声道流量计测量流量

　　若要测量被测气体的体积流量需要被测气体的流速与管道横截面积相乘。当气体流速在整个横截面上都相同(即具有均匀的速度分布)时用上述方法计算得到流量准确值。然而由于实际情况并非如此这就需要引入一个与速度分布形状有关的系数K进行修正。

　　图2速度分布剖面的修正系数

　　Vm表示由超声流量计测得的被测气体的平均速度。这是沿声程平均的线性加权的气体流速。由此可以得出计算气体流量的表达式:

　　(4)式中:A--管道横截面积;

　　K--速度分布剖面的修正系数。

　　通过检索文献和自行研究INSTROMET建立起了雷诺系数(Re)与速度分布修正系数K之间的关系曲线如图3所示。

　　该曲线适用于只有一个通过圆形管道中心声道的声道流量计。由于实际情况不同速度分布可能会表现出一定的差异从而导致速度分布修正系数K的不确定度。这一不确定度可以根据在大量测试中所得到的剩余误差(如图4所示)进行估计。从该关系曲线中可以看出对单声道流量计雷诺修正系数不确定度的实际估计值约为1%左右。

　　图3雷诺数Re与速度分布修正系数的关系曲线

　　图4单声道超声流量计速度分布修正误差的曲线

　　四、用多声道超声流量计测量流量

　　贸易输送中一般使用多声道流量计其原因是因为单声道流量计速度分布修正系数的不确定度对贸易输送计量而言是不可接受的。通过使用积分技术多声道流量计能够用多声道数据提高速度分布修正的精确度。其在形式上可以用下式表示:

　　(5)除了大括号里的部分表示为多个声道的积分外该表达式与单声道流量计的表达式是一致的。式(5)中还包括有一个乘数F它表示一个修正系数该修正系数一般默认为l。但为了使流量计误差达到最小还可以根据流量计的实流校准结果对这一系数进行调整。

　　五、干式检定

　　流量计的干式检定并不是其字面意义上的校准这是因为这种方法不是根据与某一标准或基准相比对来检查测量结果并进行必要的调整因而用"检定"一词显得较为恰当。与孔板的干检方法相类似气体超声流量计干检方法的基础是:

　　l、几何尺寸的检定;

　　2、传播时间差;

　　3、利用表格、公式或数学表达式建立气体流量与被测变量的关系式。对于气体而言有关的几何参数可以像孔板流量计那样测得很准确。而且可以运用相当简单的数学方法对几何量不确定度的影响进行全面的估计和分析。值得一提的是利用当代最新的电子线路和高质量的石英晶体振荡器可以以等同于或优于差压变送器的极好精度与稳定性进行时间的测量。有关INSTROMET公司气体超声流量计基本稳定性的例子如图5所示。图中示出两条误差曲线:一条是当新仪表初次使用时测得的另一条是仪表在线使用约2年后测得的。

　　根据实际应用的需要只在流量测量范围内的小流量段对仪表进行了检定。图5数据表明该仪表具有很好的复现性。而在极低的流量情况下出现的较大变化(通常是随机的)也是正常和可以接受的。

　　孔板流量计的流出系数和的速度分布修正系数是以实验研究为基础来确定的。由INSTROMET公司生产的超声流量计具有一个不断增加的试验数据库一些统计结果将在本文的后面提供。

　　图51995年和1997年对同一台12inQ.Sonic检定所得到的两条曲线六、干检的不确定度作为干式检定概念的一般基础我们将探讨被测气体流量(体积或流量)的不确定度。用公式(5)可以推出每一个独立参数或被测值的不确定度对被测流量总不确定度的影响。这一部分我们将要讨论这些独立参数和被测值的影响。

　　只有当根据流量检定结果对仪表的读数进行调整时才选用参数F。基于大流量检定测试的经验这一参数在干检时应设为其默认值(1)。由于干检时参数F是一个常量因而它不伴随有不确定度。这就可能出现一种矛盾因为根据实流检定结果该变量必须被指定给一个不同于默认值的值。然而在实流检定时该参数修正了(补偿了)所有其它参数和变量引起的误差。本文所提供的数据是以的实流检定结果为依据的。作为这些实流检定的结果修正系数F的默认值得到了调整。由于修正系数F的变化反映出当前生产过程导致的几何形状与尺寸参数的不确定度以及一些其它原因引起的不确定度因而这一调整系数的频率分布成为校验其它未经实流检定的流量计的不确定度的有力工具。

　　1.速度分布修正系数的不确定度

　　根据图4中所提供的曲线可以估计单声道流量计的雷诺修正系数的不确定度为1.0%。根据INSTROMET公司对多声道流量计和声道配置的研究及测试结果我们估计5声道流量计的雷诺修正系数的不确定度约为0.3%而对于3声道流量计其不确定度约为0.4%。

　　2.表体几何形状和尺寸变化引起的不确定度

　　就表体几何形状和尺寸而言从公式(5)中可以看出对超声流量计的精确度有影响的参数有:L--声道长度--声道倾斜角度A--管道横截面积。声道参数与超声传感器的前侧位置及发送、接收超声脉冲的表面有关。这一位置的确定要借助于传感器的安装管口(图6中的C)尤其是管口表面的中心点(图6中的3)(用作基准点)来完成。

　　为了估算声道参数的不确定度我们需要看一下仪表的生产过程。为了简便起见我们将以16in表体为例看一看单反射声道的情况。

　　图6是固定在数控机床(A)工作台上的一个表体(B)。开始时表体的定位使得其中心位置(1)与机床的基准点(2)[其坐标为(00)]在同一直线上。

　　图6表体加工装置

　　为了对表体进行加工尤其是要将安装管口C加工到所需要的尺寸把表体旋转一个角度以坐标(xy)定义和加工安装管口前侧的基准点(3)。x表示工作的平移y表示安装管口表面相对于机床基准点(00)的位置。这些加工参数需要在加工操作开始之前进行计算在每台表体的加工过程还要对其参数进行检查。其结果会写入机加工车间所提供的合格证书里。

　　由一个独立机构颁发的对其数据的准确度和相对于国家标准的可溯源性的合格证是可选的。根据所报告的加工参数可以计算出实际的声道长度和角度。以一个16inQ.Sonic为例适用于它的数据有:

　　公称口径:406.4mm

　　对单反射声道:

　　公称声道角度:60o

　　公称声道长度:469.27mm

　　传感器安装管口基准点定义为:

　　角度:60ox:101.60mmy:293.29mm

　　我们估算所得到的参数值的不确定度应满足:

　　角度:0.05o。

　　x:土0.lmmy:土0.1mm

　　关于内径的不确定度我们认为0.2mm应为实际值这取决于加工工艺如果有必要也能对其加以改善。根据公式(5)可以计算出每一个参数的不确定度的影响:

　　声道长度L:0.06%

　　声道角度:0.15%

　　横截面积A:0.1%

　　当把所有这些因素加起来时我们得到了最差的情况单由体积几何形状和尺寸引起的不确定度就达到0.3%。但是由于这些影响中每一个都是由独立误差源引起的根据均方根法则求出总误差为0.2%更为可取。

　　3.时间测量引起的不确定度

　　由传播时间测量引起的不确定度可以通过对零读数误差和增益误差的辨认来进行评估。

　　零点误差与传播时间测量的分辨率和传播时间测量的小偏移量有关。这使得即使在气体流速为零时可能引进一个传播时间差。

　　由公式(4)可以推出如下适用的表达式:

　　(6)

　　式中:D--流量计壳体内径;

　　C--气体中的声速;

　　--声道倾斜角度;

　　t--时间差测量中的误差;

　　v--被测气体流速的误差。

　　传播时间测量的最大不确定度为10ns。在本例中(16in表体)采用如下数值:

　　C=400m/sD=0.4m

　　=60o

　　经过计算最终不确定度为1.6mm/s(气体流速)。

　　在所处理的气体流速范围内(最大气体流速30m/s)该误差值可以被转化为一个相对值(百分数)。图7提供了作为气体流速函数的绝对误差(气速误差用m/s表示)和相对误差(用%表示)的曲线图。为了使其也适用于更小口径的仪表图中的绝对气速误差值被取为5mm/s。

　　图中清楚地表明低流速时传播时间测量的不确定度占据了支配地位。这就限制了仪表的最低工作点而对常规工作范围没有太大的影响。

　　传播时间测量与时钟信号有关。不管时钟是快是慢都会对被测气体的流速有一个成比例的影响。然而由于时钟是具有高度稳定性的石英时钟(准确度5ppm或0.005%)这一影响可以忽略不计。

　　4.流量计总的不确定度

　　在前面的叙述中已经说明对超声流量计总的不确定度有重要影响的因素有:

　　速度分布剖面修正系数K0.3%;

　　表体几何形状闭(RMS)0.2%。

　　图7由于传播时间不确定度偏移所引起的绝对误差和相对误差两个不确定度合成的最差情况是产生0.5%的总不确定度。由于这些不确定度源是相互独立的我们可以用均方根法估计总的不确定度通过计算得到总的不确定度为:

　　这个数与最好成绩的流量检定装置的不确定度(0.25%~0.3%)处于同一个数量级。

　　七、流量检定结果

　　为了把流量计误差集中在零轴线左右有必要对流量计进行调整我们根据大量的检定结果计算出了那些需要调整的量的频率分布。频率分布情况如图8~11所示。

　　由这些曲线进一步证实了所计算的不确定度约为0.5%。图8是所有口径流量计调整量的频率分布。

　　上面表示调整量频率分布的标绘图(图9、10、11)对于各种公称口径而言都是恒定的。这说明利用在被测公称口径中得出的计算方法干检的概念也可以被外推到更大口径的流量计。

　　主要是几何形状和尺寸在决定着超声流量计的准确度和不确定度这一事实将在图12和图13中得到进一步的展示。这两个曲线图适用于在一次生产中得到的一批相同的流量计。

　　图12是5声道未做任何调整前得到的检定结果。表体(测量管段)是同一批生产的产品。电路和变送器是从本公司产品中随机选取与测量管段组装在一起的。

　　图8各种规格流量计的调整量的频率分布

　　图912in流量计调整量的频率分布

　　图1016in流量计调整量的频率分布

　　图1120in和24in流量计调整量的频率分布

　　图12调整前6个16in流量计的误差曲线

　　图13一组20in流量计的调整量

　　图12、13说明加工允许公差引起的各单个流量计平均误差分布的范围和

　　我们以前计算得出的RMS值0.2%是一致的。

　　八、干检方法

　　为了实现的干检概念INSTROMER公司已经开发出一套完备的干检方法。在这一部分我们将讨论这一方法的实质。

　　在前面已经说明表体的几何形状和尺寸以及雷诺(剖面修正)系数是有关的不确定度的来源。

　　表体的几何形状和尺寸反映了声道的几何尺寸并且是用生产测量管段的机加工车间所提供的记录中的数据计算出来的。

　　为了完成的检定当把电路部分和超声传感器装入表体时还要对其进行功能测试。这一测试将校验它是否能够很好地完成所有功能如:发射、接收和检测超声脉冲以及通过检查石英时钟的频率检查传播时间测量的准确度。进一步的功能测试还包括根据气体中测的声速进行零流量测试和检查。为了完成这些测试必须为配备盲法兰并用压缩空气(或氮)对其加压。

　　1.零点检测

　　由于流量计配备了盲法兰故测量管内不会有任何气体流动而且所有声道上测得的气速都应该为零。只要流量计真能够被隔离那么这一测试在安装实际管线中的就能进行。但是根据我们的经验隔离法的性能并不总是很好的而且很小的泄漏量也能产生虽小但可测量的气体流量所以如果进行在线测试一定要特别注意避免上述因素引起的误导结果因为温度引起的流体对流也很容易出现并被误以为是气体流动。

　　2.声速检查

　　声速检查既可以作为功能测试进行也可以作为校验的一项内容。当想要对流量计进行实流检定时只需进行功能测试就足够了而且这种功能测试用压缩空气(或氮气)就可完成。当进行校准时需要用已知组分的气体对流量计进行测试在实际情况下往往选择氮气。为了对现有压力和温度下期望得到的声速进行精确的计算还需要进一步安装准确的温度和压力测量装置。要达到热平衡状态还需要有足够的时间。

　　观察到的声速与声速的期望值相比较会暴露声道长度和传播时间中的某种误差然而由于已经在测试前检查了石英时钟的频率后者是极不可能的。单声道测得的声速可能会略有差异但其平均值将非常接近期望值。一般情况下测量值与期望值之间的差异接近于0.l%。这一测试也可以在实际管线中进行但是关键的是要知道测试时气体的精确组分同时还必须进行精确的温度和压力测量。

　　九、结论

　　如前所述干检的概念可以像检定孔板那样被应用到超声流量计的检定中。根据本文中对不确定度的分析以及实流检定所提供的结果证明该不确定度与最好结果的检定装置的不确定度处同一个数量级。我们认为有理由宣布为了确保流量计具有所规定的准确度将干式检定的概念应用到超声流量计中是切实可行的。根据已经得到的测试结果干检的概念也可以外推到更大口径的超声。

　　以上就是气体流量计的干式检定的全部内容，如有疑问，可以随时联系我们。