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槽道式气体流量计及其不确定度分析

时间:2018/05/31来源:未知

 摘要:先容了一种新型的节流式差压流量计— —槽道式流量计,论述了其具有输出信号大、永久性压力损失小、流动极为稳定、抗干扰能力强等优点。 对其不确定度进行分析的结果表明, 其合成不确定度可达 0.202   , 优于目前普遍使用的临界流音速标准装置的合成不确定度 0.32 。 文章最后初步分析了槽道式流量计成为气体流量标准装置的可行性。
 流量计量是能源计量中的一个重要项目,与国民经济发展和人民生活有着千丝万缕的联系。纺锤体流量计[1](槽道式流量计)是一种新型节流式差压流量计。

1、槽道式流量计:
1.1、节流装置的结构:

 传统的节流式差压流量计一般以标准孔板或喷嘴作为节流件。其节流装置本身不具有调整流动和保持流动稳定的功能,还使流动产生严重分离,导致其存在一系列缺点[2,3]。
 槽道式流量计的节流装置由五部分组成[1]:测量管、纺锤体、导流片(同时起支撑作用)、高压管和低压管。纺锤体在中间适当位置有一段足够长的等直径段,与测量管的内壁之间形成均匀的环形槽道。被测流体首先经过导流片,紧接着进入该环形通道,形成标准的环形槽道流动。槽道流动的特点是压力顺轴线的降落具有良好的线性度,从而提供了非常稳定的低压(静压)。

1.2、流量测量原理槽道式流量计的流量公式为差压型流量计通用公式[2,4]:
 qm=K·ε·(π4)·D2·2·Δp·ρ(1)式中:qm为质量流量(kgs);K为流量系数;ε为气体可膨胀性系数[5]:ε=1-AΔpκ·p1(2)式中:A为实标常数;κ为气体的等熵指数,κ=CpCv,对于空气一般取1.4;p1为纺锤体头部处的压力(Pa);Δp为通过纺锤体的差压(Pa);D为管道内径(m);ρ为气体密度(kgm3):ρ=ρnppnTnTρn为标准状态下(293.15K,101.325kPa)干气体的密度(kgm3);pn、p分别为标准状态和工作状态下气体的绝对压力(Pa);Tn、T分别为标准状态和工作状态下气体的热力学温度(K)。由式(1),只要通过实验求出流量系数K,就可按测得的差压Δp和密度ρ,计算出质量流量qm。

2、槽道式气体流量计的不确定度:
2.1、不确定度分析的数学模型:

 对于数学模型[6,7],被测量Y的最佳估计值y,在通过输入量X1,X2,…,XN的估计值x1,x2,…xN得出时,可有以下方法:y=f(x1,x2,…xN),式中:xi=1n∑nk=1xik,它是独立观测值xik的算术平均值。在Xi=xi时,定义灵敏系数为:ci=y xi。在流量计量中,常使用相对不确定度的概念,此时采用相对灵敏系数cri,它定义为:cri=(xiy)(f xi)。在计算灵敏系数时,如数学式较复杂,可采用数值方法进行计算,即用xi计算出y,然后再用xi+Δx计算出y+Δy,其中Δx相对于xi是一个很小的增量,则ci和cri可分别表示为:ci≈ΔyΔxi和cri≈(ΔyΔxi)(xiy)=ci(xiy)。当全部输入量是彼此独立或互不相关时,合成标准不确定度由下式得到:
计算公式

2.2、流量计的不确定度分析:
 槽道式流量计的不确定度分析见表1。因为槽道式流量计在使用时,管径与标定时取的值相同,所以可以将其看作常数,忽略其不确定度。标定槽道式流量计所用的音速标准装置的质量流量的不确定度由检定得到:Ur(qS)=0.3%cr(qS)=(qSK)(K qS)=1。
 使用差压传感器测量通过纺锤体的差压,差压传感器的扩展不确定度为0.075%,按矩形分布考虑,则标准不确定度为ur(Δp)=Ur(Δp)k=0.043%,灵敏系数为cr(Δp)=(Δpqm)(qm Δp)=0.5。气体密度ρ由式(3)算出,其不确定度分析见表2。
表 1 槽道式流量计的不确定度分析一览表
表1槽道式流量计的不确定度分析一览表
表 2 密度 ρ的不确定度分析

表2密度ρ的不确定度分析
表 3 可膨胀性系数 ε的不确定度分析一览表
使用硅谐振压力传感器测量工况压力,其扩展不确定度为0.01%,按矩形分布考虑,则标准不确定度为ur(p)=Ur(p)k=0.006%,灵敏系数为cr(p)=pρρp=1。用一铂电阻温度传感器测量气体温度,其允许误差为±0.06℃,则Ur(T)=0.06293.15=0.021%,灵敏系数为:cr(T)=TρρT=-1。可膨胀性系数由公式(2)求出,其不确定度分析见表3。流量系数K的不确定度由实际标定得到,标定过程在南京市计量测试研究院进行,标定装置为临界流音速标准装置。数据如表4所示。
表 4 槽道式流量计的检定结果
表4槽道式流量计的检定结果
 流量系数K的扩展不确定度计算,采用下式:U=k951K∑Ki-K2n-1,其中n=7,查t分布表得k95=2.36。根据检定结果可以得到各检定点的不确定度如表4所示。根据流量测量不确定度要求:Ur(K)=Urmax(Ki),所以流量系数K的扩展不确定度为Ur(K)=Urmax(Ki)=0.14%,按t分布考虑,相对标准不确定度为ur(K)=Ur(K)tp(νeff)=0.14%2.36=0.059%。

3、结论:
 槽道式流量计是一种新型的差压式流量计,具有输出信号大、永久性压力损失小、流动极为稳定、抗干扰能力强等优点;如果用PVTt装置法(不确定度0.05%)进行标定,其合成不确定度可达0.202%,而目前常用的临界流音速标准装置的合成不确定度为0.32%[6];因此,如果把槽道式流量计做为流量标准装置就会比目前普遍使用的临界音速喷嘴技术有一定的优越性。可以进行作为流量标准装置的探讨。它的更大优点在于可以组合形成大口径和特大口径的气体标准装置,来标定和检定大流量的流量计。

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