氣體流量計(jì)的干式檢定

　　西安華恒儀表制造有限公司是掌握流量計(jì)核心技術(shù)的流量計(jì)生產(chǎn)儀表廠家，擁有自主的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和生產(chǎn)線?？梢宰灾餮邪l(fā)設(shè)計(jì)滿足各行業(yè)、各環(huán)境下的高精度流量計(jì)。今天和大家分享一下氣體流量計(jì)的干式檢定。

　　遺憾的是那種能對(duì)大流量氣體進(jìn)行控制并且可利用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)進(jìn)行精確測(cè)量的裝置實(shí)在是太少了其運(yùn)行費(fèi)用也很昂貴。為了進(jìn)行校準(zhǔn)或檢定必須將流量計(jì)從管道上拆下來然后再送往標(biāo)準(zhǔn)裝置這對(duì)于操作者來說是一件很麻煩的事。在檢定費(fèi)用本身已經(jīng)很高的情況下操作者還必須面對(duì)拆卸、運(yùn)輸這些流量計(jì)以及生產(chǎn)裝置停車等許多附加開支。特別是大口徑的檢定測(cè)試裝置的能力可能對(duì)其大流量的測(cè)試有所限制在一年中很短的時(shí)間(比如幾個(gè)月)內(nèi)進(jìn)行。在標(biāo)準(zhǔn)裝置上檢定流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于流量計(jì)所有者能得到詳細(xì)說明流量計(jì)準(zhǔn)確度的計(jì)量合格證書并能對(duì)流量計(jì)進(jìn)行調(diào)整以減少其相對(duì)于檢定裝置的校準(zhǔn)測(cè)量誤差或偏差。

　　然而如果考慮巨額的代價(jià)及操作上的缺點(diǎn)那種不要求把流量計(jì)送往檢定裝置就能進(jìn)行校準(zhǔn)或檢定的想法是極具吸引力的。對(duì)于孔板就已很好地確立了類似的實(shí)踐方法孔板的檢定就是根據(jù)對(duì)其幾何尺寸和安裝條件的檢查及對(duì)變送器及顯示儀表功能的檢查而進(jìn)行的。這種方法已得到了世界范圍的認(rèn)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(jì)的工作原理在流體管道中安裝有2個(gè)能發(fā)送和接收超聲脈沖的傳感器其安裝方式使得一個(gè)傳感器發(fā)出的超聲脈沖能夠被另一個(gè)傳感器接收從而形成聲道。兩個(gè)傳感器輪流發(fā)射和接收脈沖超聲脈沖相對(duì)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(cè)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(cè)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(shí)間:

　　式中:L--聲道長(zhǎng)度;

　　C--在被測(cè)介質(zhì)(氣體)中的聲速;

　　Vm--流動(dòng)介質(zhì)(氣體)的流速;

　　--被測(cè)介質(zhì)流動(dòng)方向的矢量與聲道之間的夾角。

　　由式(1)和式(2)可以推導(dǎo)出計(jì)算被測(cè)氣體流速的表達(dá)式:

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

　　三、用單聲道流量計(jì)測(cè)量流量

　　若要測(cè)量被測(cè)氣體的體積流量需要被測(cè)氣體的流速與管道橫截面積相乘。當(dāng)氣體流速在整個(gè)橫截面上都相同(即具有均勻的速度分布)時(shí)用上述方法計(jì)算得到流量準(zhǔn)確值。然而由于實(shí)際情況并非如此這就需要引入一個(gè)與速度分布形狀有關(guān)的系數(shù)K進(jìn)行修正。

　　圖2速度分布剖面的修正系數(shù)

　　Vm表示由超聲流量計(jì)測(cè)得的被測(cè)氣體的平均速度。這是沿聲程平均的線性加權(quán)的氣體流速。由此可以得出計(jì)算氣體流量的表達(dá)式:

　　(4)式中:A--管道橫截面積;

　　K--速度分布剖面的修正系數(shù)。

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

　　該曲線適用于只有一個(gè)通過圓形管道中心聲道的聲道流量計(jì)。由于實(shí)際情況不同速度分布可能會(huì)表現(xiàn)出一定的差異從而導(dǎo)致速度分布修正系數(shù)K的不確定度。這一不確定度可以根據(jù)在大量測(cè)試中所得到的剩余誤差(如圖4所示)進(jìn)行估計(jì)。從該關(guān)系曲線中可以看出對(duì)單聲道流量計(jì)雷諾修正系數(shù)不確定度的實(shí)際估計(jì)值約為1%左右。

　　圖3雷諾數(shù)Re與速度分布修正系數(shù)的關(guān)系曲線

　　圖4單聲道超聲流量計(jì)速度分布修正誤差的曲線

　　四、用多聲道超聲流量計(jì)測(cè)量流量

　　貿(mào)易輸送中一般使用多聲道流量計(jì)其原因是因?yàn)閱温暤懒髁坑?jì)速度分布修正系數(shù)的不確定度對(duì)貿(mào)易輸送計(jì)量而言是不可接受的。通過使用積分技術(shù)多聲道流量計(jì)能夠用多聲道數(shù)據(jù)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(hào)里的部分表示為多個(gè)聲道的積分外該表達(dá)式與單聲道流量計(jì)的表達(dá)式是一致的。式(5)中還包括有一個(gè)乘數(shù)F它表示一個(gè)修正系數(shù)該修正系數(shù)一般默認(rèn)為l。但為了使流量計(jì)誤差達(dá)到最小還可以根據(jù)流量計(jì)的實(shí)流校準(zhǔn)結(jié)果對(duì)這一系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

　　五、干式檢定

　　流量計(jì)的干式檢定并不是其字面意義上的校準(zhǔn)這是因?yàn)檫@種方法不是根據(jù)與某一標(biāo)準(zhǔn)或基準(zhǔn)相比對(duì)來檢查測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行必要的調(diào)整因而用"檢定"一詞顯得較為恰當(dāng)。與孔板的干檢方法相類似氣體超聲流量計(jì)干檢方法的基礎(chǔ)是:

　　l、幾何尺寸的檢定;

　　2、傳播時(shí)間差;

　　3、利用表格、公式或數(shù)學(xué)表達(dá)式建立氣體流量與被測(cè)變量的關(guān)系式。對(duì)于氣體而言有關(guān)的幾何參數(shù)可以像孔板流量計(jì)那樣測(cè)得很準(zhǔn)確。而且可以運(yùn)用相當(dāng)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法對(duì)幾何量不確定度的影響進(jìn)行全面的估計(jì)和分析。值得一提的是利用當(dāng)代最新的電子線路和高質(zhì)量的石英晶體振蕩器可以以等同于或優(yōu)于差壓變送器的極好精度與穩(wěn)定性進(jìn)行時(shí)間的測(cè)量。有關(guān)INSTROMET公司氣體超聲流量計(jì)基本穩(wěn)定性的例子如圖5所示。圖中示出兩條誤差曲線:一條是當(dāng)新儀表初次使用時(shí)測(cè)得的另一條是儀表在線使用約2年后測(cè)得的。

　　根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要只在流量測(cè)量范圍內(nèi)的小流量段對(duì)儀表進(jìn)行了檢定。圖5數(shù)據(jù)表明該儀表具有很好的復(fù)現(xiàn)性。而在極低的流量情況下出現(xiàn)的較大變化(通常是隨機(jī)的)也是正常和可以接受的。

　　孔板流量計(jì)的流出系數(shù)和的速度分布修正系數(shù)是以實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)來確定的。由INSTROMET公司生產(chǎn)的超聲流量計(jì)具有一個(gè)不斷增加的試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫一些統(tǒng)計(jì)結(jié)果將在本文的后面提供。

　　圖51995年和1997年對(duì)同一臺(tái)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(chǔ)我們將探討被測(cè)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(gè)獨(dú)立參數(shù)或被測(cè)值的不確定度對(duì)被測(cè)流量總不確定度的影響。這一部分我們將要討論這些獨(dú)立參數(shù)和被測(cè)值的影響。

　　只有當(dāng)根據(jù)流量檢定結(jié)果對(duì)儀表的讀數(shù)進(jìn)行調(diào)整時(shí)才選用參數(shù)F。基于大流量檢定測(cè)試的經(jīng)驗(yàn)這一參數(shù)在干檢時(shí)應(yīng)設(shè)為其默認(rèn)值(1)。由于干檢時(shí)參數(shù)F是一個(gè)常量因而它不伴隨有不確定度。這就可能出現(xiàn)一種矛盾因?yàn)楦鶕?jù)實(shí)流檢定結(jié)果該變量必須被指定給一個(gè)不同于默認(rèn)值的值。然而在實(shí)流檢定時(shí)該參數(shù)修正了(補(bǔ)償了)所有其它參數(shù)和變量引起的誤差。本文所提供的數(shù)據(jù)是以的實(shí)流檢定結(jié)果為依據(jù)的。作為這些實(shí)流檢定的結(jié)果修正系數(shù)F的默認(rèn)值得到了調(diào)整。由于修正系數(shù)F的變化反映出當(dāng)前生產(chǎn)過程導(dǎo)致的幾何形狀與尺寸參數(shù)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(diào)整系數(shù)的頻率分布成為校驗(yàn)其它未經(jīng)實(shí)流檢定的流量計(jì)的不確定度的有力工具。

　　1.速度分布修正系數(shù)的不確定度

　　根據(jù)圖4中所提供的曲線可以估計(jì)單聲道流量計(jì)的雷諾修正系數(shù)的不確定度為1.0%。根據(jù)INSTROMET公司對(duì)多聲道流量計(jì)和聲道配置的研究及測(cè)試結(jié)果我們估計(jì)5聲道流量計(jì)的雷諾修正系數(shù)的不確定度約為0.3%而對(duì)于3聲道流量計(jì)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(duì)超聲流量計(jì)的精確度有影響的參數(shù)有:L--聲道長(zhǎng)度--聲道傾斜角度A--管道橫截面積。聲道參數(shù)與超聲傳感器的前側(cè)位置及發(fā)送、接收超聲脈沖的表面有關(guān)。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(diǎn)(圖6中的3)(用作基準(zhǔn)點(diǎn))來完成。

　　為了估算聲道參數(shù)的不確定度我們需要看一下儀表的生產(chǎn)過程。為了簡(jiǎn)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(shù)控機(jī)床(A)工作臺(tái)上的一個(gè)表體(B)。開始時(shí)表體的定位使得其中心位置(1)與機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)(2)[其坐標(biāo)為(00)]在同一直線上。

　　圖6表體加工裝置

　　為了對(duì)表體進(jìn)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(zhuǎn)一個(gè)角度以坐標(biāo)(xy)定義和加工安裝管口前側(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)(3)。x表示工作的平移y表示安裝管口表面相對(duì)于機(jī)床基準(zhǔn)點(diǎn)(00)的位置。這些加工參數(shù)需要在加工操作開始之前進(jìn)行計(jì)算在每臺(tái)表體的加工過程還要對(duì)其參數(shù)進(jìn)行檢查。其結(jié)果會(huì)寫入機(jī)加工車間所提供的合格證書里。

　　由一個(gè)獨(dú)立機(jī)構(gòu)頒發(fā)的對(duì)其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和相對(duì)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的可溯源性的合格證是可選的。根據(jù)所報(bào)告的加工參數(shù)可以計(jì)算出實(shí)際的聲道長(zhǎng)度和角度。以一個(gè)16inQ.Sonic為例適用于它的數(shù)據(jù)有:

　　公稱口徑:406.4mm

　　對(duì)單反射聲道:

　　公稱聲道角度:60o

　　公稱聲道長(zhǎng)度:469.27mm

　　傳感器安裝管口基準(zhǔn)點(diǎn)定義為:

　　角度:60ox:101.60mmy:293.29mm

　　我們估算所得到的參數(shù)值的不確定度應(yīng)滿足:

　　角度:0.05o。

　　x:土0.lmmy:土0.1mm

　　關(guān)于內(nèi)徑的不確定度我們認(rèn)為0.2mm應(yīng)為實(shí)際值這取決于加工工藝如果有必要也能對(duì)其加以改善。根據(jù)公式(5)可以計(jì)算出每一個(gè)參數(shù)的不確定度的影響:

　　聲道長(zhǎng)度L:0.06%

　　聲道角度:0.15%

　　橫截面積A:0.1%

　　當(dāng)把所有這些因素加起來時(shí)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(dá)到0.3%。但是由于這些影響中每一個(gè)都是由獨(dú)立誤差源引起的根據(jù)均方根法則求出總誤差為0.2%更為可取。

　　3.時(shí)間測(cè)量引起的不確定度

　　由傳播時(shí)間測(cè)量引起的不確定度可以通過對(duì)零讀數(shù)誤差和增益誤差的辨認(rèn)來進(jìn)行評(píng)估。

　　零點(diǎn)誤差與傳播時(shí)間測(cè)量的分辨率和傳播時(shí)間測(cè)量的小偏移量有關(guān)。這使得即使在氣體流速為零時(shí)可能引進(jìn)一個(gè)傳播時(shí)間差。

　　由公式(4)可以推出如下適用的表達(dá)式:

　　(6)

　　式中:D--流量計(jì)殼體內(nèi)徑;

　　C--氣體中的聲速;

　　--聲道傾斜角度;

　　t--時(shí)間差測(cè)量中的誤差;

　　v--被測(cè)氣體流速的誤差。

　　傳播時(shí)間測(cè)量的最大不確定度為10ns。在本例中(16in表體)采用如下數(shù)值:

　　C=400m/sD=0.4m

　　=60o

　　經(jīng)過計(jì)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(nèi)(最大氣體流速30m/s)該誤差值可以被轉(zhuǎn)化為一個(gè)相對(duì)值(百分?jǐn)?shù))。圖7提供了作為氣體流速函數(shù)的絕對(duì)誤差(氣速誤差用m/s表示)和相對(duì)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(duì)氣速誤差值被取為5mm/s。

　　圖中清楚地表明低流速時(shí)傳播時(shí)間測(cè)量的不確定度占據(jù)了支配地位。這就限制了儀表的最低工作點(diǎn)而對(duì)常規(guī)工作范圍沒有太大的影響。

　　傳播時(shí)間測(cè)量與時(shí)鐘信號(hào)有關(guān)。不管時(shí)鐘是快是慢都會(huì)對(duì)被測(cè)氣體的流速有一個(gè)成比例的影響。然而由于時(shí)鐘是具有高度穩(wěn)定性的石英時(shí)鐘(準(zhǔn)確度5ppm或0.005%)這一影響可以忽略不計(jì)。

　　4.流量計(jì)總的不確定度

　　在前面的敘述中已經(jīng)說明對(duì)超聲流量計(jì)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(shù)K0.3%;

　　表體幾何形狀閉(RMS)0.2%。

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

　　這個(gè)數(shù)與最好成績(jī)的流量檢定裝置的不確定度(0.25%~0.3%)處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　七、流量檢定結(jié)果

　　為了把流量計(jì)誤差集中在零軸線左右有必要對(duì)流量計(jì)進(jìn)行調(diào)整我們根據(jù)大量的檢定結(jié)果計(jì)算出了那些需要調(diào)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(jìn)一步證實(shí)了所計(jì)算的不確定度約為0.5%。圖8是所有口徑流量計(jì)調(diào)整量的頻率分布。

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

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

　　圖12是5聲道未做任何調(diào)整前得到的檢定結(jié)果。表體(測(cè)量管段)是同一批生產(chǎn)的產(chǎn)品。電路和變送器是從本公司產(chǎn)品中隨機(jī)選取與測(cè)量管段組裝在一起的。

　　圖8各種規(guī)格流量計(jì)的調(diào)整量的頻率分布

　　圖912in流量計(jì)調(diào)整量的頻率分布

　　圖1016in流量計(jì)調(diào)整量的頻率分布

　　圖1120in和24in流量計(jì)調(diào)整量的頻率分布

　　圖12調(diào)整前6個(gè)16in流量計(jì)的誤差曲線

　　圖13一組20in流量計(jì)的調(diào)整量

　　圖12、13說明加工允許公差引起的各單個(gè)流量計(jì)平均誤差分布的范圍和

　　我們以前計(jì)算得出的RMS值0.2%是一致的。

　　八、干檢方法

　　為了實(shí)現(xiàn)的干檢概念I(lǐng)NSTROMER公司已經(jīng)開發(fā)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(shí)質(zhì)。

　　在前面已經(jīng)說明表體的幾何形狀和尺寸以及雷諾(剖面修正)系數(shù)是有關(guān)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(chǎn)測(cè)量管段的機(jī)加工車間所提供的記錄中的數(shù)據(jù)計(jì)算出來的。

　　為了完成的檢定當(dāng)把電路部分和超聲傳感器裝入表體時(shí)還要對(duì)其進(jìn)行功能測(cè)試。這一測(cè)試將校驗(yàn)它是否能夠很好地完成所有功能如:發(fā)射、接收和檢測(cè)超聲脈沖以及通過檢查石英時(shí)鐘的頻率檢查傳播時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確度。進(jìn)一步的功能測(cè)試還包括根據(jù)氣體中測(cè)的聲速進(jìn)行零流量測(cè)試和檢查。為了完成這些測(cè)試必須為配備盲法蘭并用壓縮空氣(或氮)對(duì)其加壓。

　　1.零點(diǎn)檢測(cè)

　　由于流量計(jì)配備了盲法蘭故測(cè)量管內(nèi)不會(huì)有任何氣體流動(dòng)而且所有聲道上測(cè)得的氣速都應(yīng)該為零。只要流量計(jì)真能夠被隔離那么這一測(cè)試在安裝實(shí)際管線中的就能進(jìn)行。但是根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)隔離法的性能并不總是很好的而且很小的泄漏量也能產(chǎn)生雖小但可測(cè)量的氣體流量所以如果進(jìn)行在線測(cè)試一定要特別注意避免上述因素引起的誤導(dǎo)結(jié)果因?yàn)闇囟纫鸬牧黧w對(duì)流也很容易出現(xiàn)并被誤以為是氣體流動(dòng)。

　　2.聲速檢查

　　聲速檢查既可以作為功能測(cè)試進(jìn)行也可以作為校驗(yàn)的一項(xiàng)內(nèi)容。當(dāng)想要對(duì)流量計(jì)進(jìn)行實(shí)流檢定時(shí)只需進(jìn)行功能測(cè)試就足夠了而且這種功能測(cè)試用壓縮空氣(或氮?dú)?就可完成。當(dāng)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)需要用已知組分的氣體對(duì)流量計(jì)進(jìn)行測(cè)試在實(shí)際情況下往往選擇氮?dú)?。為了?duì)現(xiàn)有壓力和溫度下期望得到的聲速進(jìn)行精確的計(jì)算還需要進(jìn)一步安裝準(zhǔn)確的溫度和壓力測(cè)量裝置。要達(dá)到熱平衡狀態(tài)還需要有足夠的時(shí)間。

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

　　九、結(jié)論

　　如前所述干檢的概念可以像檢定孔板那樣被應(yīng)用到超聲流量計(jì)的檢定中。根據(jù)本文中對(duì)不確定度的分析以及實(shí)流檢定所提供的結(jié)果證明該不確定度與最好結(jié)果的檢定裝置的不確定度處同一個(gè)數(shù)量級(jí)。我們認(rèn)為有理由宣布為了確保流量計(jì)具有所規(guī)定的準(zhǔn)確度將干式檢定的概念應(yīng)用到超聲流量計(jì)中是切實(shí)可行的。根據(jù)已經(jīng)得到的測(cè)試結(jié)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(jì)的干式檢定的全部?jī)?nèi)容，如有疑問，可以隨時(shí)聯(lián)系我們。