氣體流量計(jì)的靜態(tài)標(biāo)定方法探討
氣體流量計(jì)具有測量精度高、測量范圍寬以及性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)羅茨霍爾氣體流量計(jì)特點(diǎn)及其靜態(tài)參數(shù)標(biāo)定要求,分析了水標(biāo)法、pVTt 法、鐘罩法和音速噴嘴法四種氣體流量計(jì)的標(biāo)定方法,以及它們各自的工作原理、工作裝置和優(yōu)缺點(diǎn),并指出音速噴嘴法在流量范圍、準(zhǔn)確度、適應(yīng)性、耐用性、經(jīng)濟(jì)性與維護(hù)方面都具有明顯的優(yōu)越性。***后確定音速噴嘴法可作為該氣體流量計(jì)靜態(tài)參數(shù)標(biāo)定的***佳選擇。
0.引言
隨著人類工業(yè)化的不斷推進(jìn),人們對資源的需求日益增長,“節(jié)能環(huán)保”迫在眉睫。天然氣作為一種清潔高效的能源被各個(gè)領(lǐng)域廣泛利用。由于天然氣的正確計(jì)量關(guān)系到天然氣貿(mào)易結(jié)算和交易的正常進(jìn)行,關(guān)系到人民的財(cái)產(chǎn)保障,因此,需要一種高精度氣體流量計(jì)對天然氣進(jìn)行計(jì)量。羅茨霍爾氣體流量計(jì)是一種新型的高精度、寬量程比氣體流量計(jì),它具有如下特點(diǎn)。
① 基于精密羅茨霍爾磁感應(yīng)效應(yīng)原理,測量時(shí)不受流體的物理特性所限,屬于非接觸式測量。
② 精度高,測量精度優(yōu)于 0. 2 級。
③ 測量范圍寬,測量量程比可以達(dá)到 120 ∶ 1。
④ 性能穩(wěn)定可靠,***小流速可以達(dá)到 0. 5 m /s。
選擇合適的標(biāo)定方法,無論是對于流量計(jì)的制造,還是對流量計(jì)的使用都是十分必要的。
結(jié)合氣體流量計(jì)靜態(tài)參數(shù)的現(xiàn)有標(biāo)定方法,提出了一種滿足上述新型氣體流量計(jì)的標(biāo)定方法。
1.靜態(tài)標(biāo)定指標(biāo)
傳感器是流量計(jì)的核心部件,是獲取原始信息的重要裝置。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中,傳感器為控制系統(tǒng)提供被控參量的信息,是自動(dòng)化裝置中必不可少的“環(huán)節(jié)”。傳感器的研發(fā)、性能評定和使用始終是人們關(guān)注的熱點(diǎn),氣體流量計(jì)也是如此。
對氣體流量計(jì)的標(biāo)定其實(shí)是對其傳感器的標(biāo)定。
傳感器在制造、裝配完畢后必須對設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn),以保證量值的準(zhǔn)確傳遞。傳感器在使用一段時(shí)間或經(jīng)過修理后,也必須對其主要技術(shù)指標(biāo)再次進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn),以確保其性能指標(biāo)達(dá)到要求。傳感器的標(biāo)定,就是通過試驗(yàn)確立傳感器的輸入量與輸出量之間的關(guān)系。
傳感器的標(biāo)定有靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定兩種。靜態(tài)標(biāo)定的目的就是確定傳感器靜態(tài)指標(biāo),主要是線性度、重復(fù)性和精度等 。動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的就是確定傳感器動(dòng)態(tài)指標(biāo),主要是時(shí)間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等傳感器輸出曲線的靜態(tài)特性如圖 1 所示。圖 1
中,x 軸代表傳感器的輸入量,y 軸代表傳感器的輸出量。直線 1 代表傳感器待校準(zhǔn)曲線按***小二乘法擬合的直線,以便于研究線性關(guān)系; 曲線 2、3、4 為傳感器的輸出曲線,即校準(zhǔn)曲線。 Rmax 為傳感器的重復(fù)性誤差, Lmax 為傳感器的非線性誤差。
氣體流量計(jì)的性能指標(biāo)主要為重復(fù)性、線性度和精度。下面對這三種靜態(tài)指標(biāo)進(jìn)行分析。
1. 1 重復(fù)性
檢測時(shí)一般選取 5 個(gè)測量點(diǎn),每一點(diǎn)重復(fù)測量 3 次,可得到 3 條輸出曲線,獲得系列值 yi1 、yi2 、yi3 ,***大值與***小值之差作為重復(fù)性誤差 Ri ,在 3 個(gè) Ri 中
取***大值 Rmax 作為重復(fù)性誤差,則重復(fù)性 γR 以滿量程 yFS 輸出的百分?jǐn)?shù)表示
1. 2 線性度
圖 1 中直線 1 為按***小二乘法擬合的輸出曲線,以便于研究線性關(guān)系。yi1 、yi2 、yi3 ***大值與擬合直線之差作為非線性誤差 Li ,在 3 個(gè) Li 中取***大值,則線性度 γL 以滿量程 yFS 輸出的百分?jǐn)?shù)表示
1. 3 靈敏度
傳感器輸出量的變化量 y 與引起該變化量的輸入變化量 x 之比即為靜態(tài)靈敏度。圖 1 中,擬合直線的斜率即為傳感器的靈敏度,其表達(dá)式 為:
2.靜態(tài)標(biāo)定裝置的分析
氣體流量標(biāo)定裝置可以分為原級標(biāo)定和次級標(biāo)定兩大類 。原級標(biāo)定是流量計(jì)裝置可能達(dá)到的***高準(zhǔn)確度,如 pVTt 法、鐘罩法。次級標(biāo)定一般是通過原始標(biāo)定裝置的量值傳遞、具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性的標(biāo)定,如標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)定裝置。目前,常用的標(biāo)準(zhǔn)表主要有臨界流噴嘴。另外,還有水標(biāo)法標(biāo)定裝置,其主要是利用稱重法,以水為檢定介質(zhì),然后根據(jù)相關(guān)公式換算成氣體狀態(tài)下的量值。下面分別對這四種標(biāo)定方法及其標(biāo)定裝置的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。
2. 1 水標(biāo)法標(biāo)定裝置
根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備,水標(biāo)法是首先考慮的***方便可行的方案。水標(biāo)法氣體流量標(biāo)定裝置利用稱重法,以水為檢定介質(zhì),可以分別對液體流量計(jì)和氣體流量計(jì)進(jìn)行檢定。
該方法的標(biāo)定原理是在裝置中安裝一個(gè)帶有電子稱的稱重容器,測量在標(biāo)定時(shí)間內(nèi)通過容器的水的質(zhì)量,然后將電子稱示數(shù)和被檢流量計(jì)示數(shù)進(jìn)行對比,從而實(shí)現(xiàn)對流量計(jì)的標(biāo)定。
水標(biāo)法氣體流量標(biāo)定裝置主要有儲水池、穩(wěn)壓罐、流量調(diào)節(jié)閥、稱重容器、電子稱等設(shè)備。標(biāo)定時(shí),啟動(dòng)水泵,水池里的水依次經(jīng)過穩(wěn)壓罐、被檢流量計(jì),***后到達(dá)稱重容器,讀出電子稱的示數(shù)。
該裝置的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備少,操作簡單,可以為本氣體流量計(jì)的標(biāo)定節(jié)約大量成本。缺點(diǎn)是檢定結(jié)果誤差較大,因?yàn)樵凇栋惺搅髁坑?jì) 中華人民共和國計(jì)量檢定規(guī)程》中明確提出,檢定介質(zhì)應(yīng)盡可能采用黏度、密度等與實(shí)際工作介質(zhì)相同或相近的流體。對于測量液體的流量計(jì),以清潔水為檢定介質(zhì); 對于測量氣體的流量計(jì),以空氣為檢定介質(zhì)。因此,需要一種以氣體為檢定介質(zhì)、高精度的氣體流量標(biāo)定裝置。
2. 2 pVTt 法標(biāo)定裝置
pVTt 法氣體流量標(biāo)定裝置是測量氣體質(zhì)量流量的一種高精度標(biāo)定裝置。
該方法的標(biāo)定原理是在標(biāo)定時(shí)間 t 內(nèi),氣體流入或流出容積為 V 的標(biāo)準(zhǔn)容器,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)氣體壓力 P 和溫度 T 的變化,可以求得氣體質(zhì)量流量,也就是通過被檢流量計(jì)的質(zhì)量流量,再將其與被檢表的示值進(jìn)行比較,可以實(shí)現(xiàn)對流量計(jì)的標(biāo)定。該裝置主要用于檢定臨界流噴嘴,也可以檢定其他流量計(jì)。
pVTt 法氣體流量標(biāo)定裝置的質(zhì)量流量 qm 方程 為:
內(nèi)的壓力,Pa; Ti 為抽氣后標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的溫度,K; Pf 為充氣后標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的壓力,Pa; Tf 為充氣后標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的溫度,K; t'為標(biāo)定時(shí)間,s。
該裝置主要有控制元件、計(jì)時(shí)器、標(biāo)準(zhǔn)容器、電位差計(jì)、熱電偶、真空泵等設(shè)備。標(biāo)定時(shí),空氣流動(dòng)方向如圖中箭頭所示。啟動(dòng)真空泵,抽出標(biāo)準(zhǔn)容器中的空氣,接著關(guān)閉真空泵,等到標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的氣體達(dá)到平衡后,測出此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的壓力 Pi 和溫度 Ti 。然后再打開電磁閥。由于大氣壓大于標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的壓力,周圍的空氣經(jīng)流量計(jì)、過渡接管、控制元件進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)容器,標(biāo)準(zhǔn)容器開始充氣。在達(dá)到標(biāo)定時(shí)間 t'時(shí),在計(jì)時(shí)器的作用下,電磁閥自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)容器中空氣的狀態(tài)穩(wěn)定后,測出此狀態(tài)下的壓力 Pf 和溫度 Tf 。
該方案的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高,本新型氣體流量計(jì)的精度優(yōu)于 0. 2 級。目前,pVTt 法氣體流量標(biāo)定裝置的精度可以優(yōu)于 0. 1 級,不確定度為 0. 05% ( k =2) 。該裝置可以實(shí)現(xiàn)對本新型氣體流量計(jì)的標(biāo)定。
該方案的缺點(diǎn)是裝置的準(zhǔn)確度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)容器的準(zhǔn)確度。目前,存在的一個(gè)關(guān)鍵問題是如何對標(biāo)準(zhǔn)容器的容積進(jìn)行的標(biāo)定,可以采用氣標(biāo)法對標(biāo)準(zhǔn)容器進(jìn)行標(biāo)定,使不確定度小于 0. 05% 。因此,需要一種更易行的標(biāo)定裝置 。
2. 3 鐘罩法標(biāo)定裝置
鐘罩法氣體流量標(biāo)定裝置是以空氣為介質(zhì),對氣體流量計(jì)進(jìn)行檢定的可靠易行的計(jì)量設(shè)備。
該方法的標(biāo)定原理就是通過標(biāo)尺讀取鐘罩在標(biāo)定時(shí)間內(nèi)下降的位移計(jì)算鐘罩排出氣體的體積,也就是流經(jīng)被檢流量計(jì)的氣體體積,然后和被檢流量計(jì)的示數(shù)進(jìn)行對比,可以實(shí)現(xiàn)對流量計(jì)的標(biāo)定。該裝置的標(biāo)定流量 qv 計(jì)算方程 如下:
式中: PB 為充氣后鐘罩內(nèi)部的壓力,Pa; VB 為鐘罩排出的氣體體積,m3 ; TB 為充氣后鐘罩內(nèi)部的溫度,K; Pm 為被檢流量計(jì)前氣體的壓力,Pa; Tm為被檢流量計(jì)前氣體的溫度,K; t 為標(biāo)定時(shí)間,s。
鐘罩法氣體流量標(biāo)定裝置如圖 4 所示.該裝置主要由鐘罩、液槽、平衡錘和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)等設(shè)備組成,是一個(gè)用標(biāo)定過的鐘罩有效容積作為標(biāo)定容積的計(jì)量儀器。標(biāo)定時(shí),空氣流動(dòng)方向如圖中箭頭所示。先通過鼓風(fēng)機(jī)對鐘罩內(nèi)部吹氣,使得鐘罩緩緩上升至***高處,關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)。然后打開調(diào)節(jié)閥,氣體從鐘罩經(jīng)管道至被檢流量計(jì)處,***后排入大氣。
該裝置的優(yōu)點(diǎn)是工作壓力較低( 一般工作壓力小于 101 kPa) ,對于小流量測量特性非常穩(wěn)定。該氣體流量計(jì)測量靈敏度高,測量較低氣體流速可以達(dá)到0. 5 m /s,用此裝置可以實(shí)現(xiàn)對該氣體流量計(jì)小流量部分的標(biāo)定。
該裝置的缺點(diǎn)是鐘罩頂蓋承受力有限,故工作壓力低( 小于 3 kPa) 。鐘罩的內(nèi)容積有限 ,因此只適合用于小流量( 小于 10 m3 /h) 、小管徑的氣體流量儀表的檢定,而該氣體流量計(jì)測量范圍寬,因此,該裝置不能滿足對大流量的標(biāo)定。鐘罩由液體密封,故氣體濕度較大,這會帶來很大誤差。另外,鐘罩價(jià)格非常昂貴,這就加大了對該氣體流量計(jì)標(biāo)定的成本。因此,需要一種準(zhǔn)確度高、標(biāo)定范圍寬、投資成本少的標(biāo)定裝置。
2. 4 音速噴嘴法標(biāo)定裝置
音速噴嘴法氣體流量標(biāo)定裝置是一種操作簡單、準(zhǔn)確度高、標(biāo)定范圍寬的標(biāo)定裝置。采用音速噴嘴法檢定氣體流量計(jì)有正壓法和負(fù)壓法之分 。由于正壓法對氣源要求比較高,而負(fù)壓法直接使用大氣作為氣源,氣體流量穩(wěn)定,且具有投資少、能耗低的優(yōu)點(diǎn),因此,決定采用負(fù)壓法。下面詳細(xì)介紹一下負(fù)壓法音速噴嘴氣體流量標(biāo)定裝置。
2. 4. 1 音速噴嘴音速噴嘴是個(gè)孔徑逐漸減小的流道,喉徑***小的
部分稱為喉部。圓筒形喉部的長度和 1 /4 圓環(huán)面的曲率半徑都應(yīng)等于喉部直徑。
圖 5 中,D 為音速噴嘴上游入口端直徑,m; d 為音速噴嘴喉部直徑,m,且偏差不超過 0. 001d; P1 為音速噴嘴的下游出口背壓,Pa; P0 為音速噴嘴的上游入口滯止壓力,Pa。音速噴嘴的取壓孔的位置 ( P0 、P1 ) 如圖 5 所示,其中,在距離上游入口( 0. 9 ~ 1. 1) D 處取壓P0 ,在距離下游出口 7D ~ 10D 處取壓 P1 。
空氣動(dòng)力學(xué)理論表明 ,保持噴嘴入口的滯止壓力P0 穩(wěn)定不變,不斷地降低噴嘴的出口背壓 P1 ,開始時(shí)通過噴嘴的氣體質(zhì)量流量會逐漸增大,但是當(dāng)噴嘴的出口背壓降低到某一特定值時(shí),文丘里噴嘴喉部流速達(dá)到***大流速———當(dāng)?shù)匾羲伲催_(dá)到臨界流。此時(shí),如果 P0 不變,再減小 P1 ,則流速將保持不變。也就是說,流速不再受下游壓力的影響,此時(shí)的狀態(tài)稱為臨界流狀態(tài)。
該方法的標(biāo)定原理就是在相同的時(shí)間間隔內(nèi)在管道上安裝由一個(gè)或多個(gè)音速噴嘴組成的流量測量裝置,在相同的時(shí)間間隔內(nèi),氣體連續(xù)地流過噴嘴和被檢流量計(jì)。由于質(zhì)量守恒,通過噴嘴的質(zhì)量流量和被檢流量計(jì)的質(zhì)量流量相同,比較兩者的流量示值,可以確定被校流量計(jì)的計(jì)量性能。該裝置的標(biāo)定流量 qm 計(jì)算方程 :
式中: qm 為質(zhì)量流量,kg·s-1 ; A 為音速噴嘴喉部的橫截面積,m2 ; Cd 為流出系數(shù),無量綱 ; C* 為實(shí)際氣體臨界流函數(shù); P 為臨界流文丘里噴嘴入口的滯止壓力,Pa; M 為摩爾質(zhì)量,kg·mol-1 ; R 為通用氣體常數(shù),
J·( mol·K) -1 ; T 為氣體滯止溫度,K。
2. 4. 2 音速噴嘴氣體流量標(biāo)定裝置
裝置主要有噴嘴,滯止容器,測量噴嘴上游滯止溫度、壓力測量儀表,被校流量計(jì)處溫度、壓力測量儀表,計(jì)時(shí)器,對裝置中設(shè)備進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)采集、處理的控制系統(tǒng)及其他一些輔助設(shè)備。標(biāo)定時(shí),用真空泵將空氣由被檢表的上游直管段入口吸入,進(jìn)入滯止容器,在滯止容器的下游,有音速噴嘴組,選擇音速噴嘴下游的開關(guān)閥的組合,可以任意選擇所要開關(guān)的音速噴嘴,以達(dá)到標(biāo)定被檢表不同流量的目的。由滯止容器處的溫度計(jì)和壓力計(jì)測出滯止溫度 T 和滯止壓力 P,代入式( 6) 計(jì)算,可以得到通過臨界流文丘里噴嘴的質(zhì)量流量,亦即通過被檢表處的質(zhì)量流量。通過讀取被檢表表頭的溫度、壓力,可以計(jì)算出空氣密度,進(jìn)而得到標(biāo)定體積流量。
該裝置的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、標(biāo)定范圍寬,可以實(shí)現(xiàn)對該測量精度優(yōu)于 0. 2 級、測量量程比為 120 ∶ 1、測量***小流速為 0. 5 m /s 的新型氣體流量計(jì)的標(biāo)定。另外,該裝置結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、檢定周期長 ( 長達(dá) 5 年) ,費(fèi)用也相對較低。
該裝置也存在一些缺點(diǎn),即可測量流量下限不能無限低 。目前,音速噴嘴法流量標(biāo)定裝置可以達(dá)到 0. 1 m3 /h,但該裝置并不妨礙對該氣體流量計(jì)的標(biāo)定。
3.結(jié)束語
本文根據(jù)研制的新型氣體流量計(jì)的特點(diǎn)及靜態(tài)參數(shù)標(biāo)定要求,分析了現(xiàn)有四種標(biāo)定方法,即水標(biāo)法、 pVTt 法、鐘罩法、音速噴嘴法。水標(biāo)法標(biāo)定裝置是現(xiàn)有可行的標(biāo)定設(shè)備,但是主要用來對液體流量計(jì)的檢定,對檢定氣體流量計(jì)誤差較大,因此,考慮標(biāo)定介質(zhì)是氣體、高精度的標(biāo)定裝置。pVTt 法標(biāo)定裝置是一種測量氣體質(zhì)量流量的高精度的標(biāo)定裝置,但對于其標(biāo)準(zhǔn)容器難以實(shí)現(xiàn)以氣標(biāo)法進(jìn)行標(biāo)定,這使得建造該類裝置變得困難,因此,需要一種更易行的標(biāo)定裝置。鐘罩法氣體流量標(biāo)定裝置是以空氣為介質(zhì),對氣體流量計(jì)進(jìn)行檢定的可靠易行的計(jì)量設(shè)備。但其工作壓力低,鐘罩容積有限,使之只適用于檢定低氣壓、小流量的氣體流量計(jì),即檢定范圍較窄且裝置價(jià)格昂貴。因此,需要考慮一種準(zhǔn)確度高、標(biāo)定范圍寬、投資成本
少的標(biāo)定裝置。音速噴嘴法氣體流量標(biāo)定裝置是一種設(shè)備簡單、準(zhǔn)確度高、標(biāo)定范圍寬,投資成本少的標(biāo)定裝置,能夠滿足該氣體流量計(jì)的各項(xiàng)靜態(tài)參數(shù)標(biāo)定要求。通過比較這四種標(biāo)定方法裝置的優(yōu)缺點(diǎn) ,認(rèn)為音速噴嘴法可作為該氣體流量計(jì)靜態(tài)參數(shù)標(biāo)定的***佳選擇。