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双罗茨标准表法气体流量计标准装置详解

时间:2018/06/26来源:未知

摘要:文章先容了一种基于高精度气体罗茨流量计作为主标准器的标准表法气体流量标准装置。深入研究标准表法装置检定技术的新方法, 设计专用消波器消除压力脉动影响, 采用定点使用和非线性修正技术, 可实现速度式流量计和容积式流量计的检定/校准, 给出用该装置进行流量计检定的实验数据, 结果表明该装置测量不确定度优于0.33%, 测量范围度达4 000∶1。

 

0 引言

随着天然气能源的开发利用, 城镇燃气用户日益增多, 对气体流量仪表的计量准确度、检测水平的要求也越来越高。目前各技术机构和生产单位主要运用气体流量标准装置对气体流量计的计量性能进行测试。目前常用的气体流量标准装置主要有钟罩式、p VTt法、mt法、活塞式、皂膜式和标准表法气体流量标准装置[1]。其中, 标准表法气体流量标准装置采用优良重复性及高稳定性的流量计作为标准表, 使流体在相同时间间隔内连续通过标准流量计和被检流量计, 比较两者的输出流量值, 从而确定被检流量计的计量性能。该类装置以其高效率、宽范围、较高的准确度等特点, 已经成为气体流量计检定/校准的主流装置。

标准表法气体流量标准装置可采用不同类型的标准表作为装置主标准器, 常用的标准表包括:临界流喷嘴、速度式流量计、容积式流量计等。有时在同一套装置中采用上述2种或2种以上类型的气体流量计, 称之为组合式。本项目研制的装置选用的是欧洲DRESSER企业生产的高精度气体罗茨流量计作为主标准器, 本装置与传统采用临界流喷嘴或涡轮流量计当标准表的气体流量标准装置比较, 能耗减少至1/10 (15 k W) , 占地面积减小至1/5 (场地) 。

目前苏州市拥有较多世界级高端流量计生产企业, 产品销售量大、企业自身研究水平高, 目前本所内气体流量标准装置共有2套, 分别为钟罩装置和标准表法 (标准表为涡轮流量计) 装置, 难以满足目前的检测需求, 所以本装置的建成, 可满足苏州地区气体流量计的送检需求, 也能满足生产厂家的全性能试验及型式评价试验需求, 对部门员工的科研技术能力的提升有一定的帮助。

1 装置设计

装置本体采用不锈钢材料, 标配试验管道DN15、DN25、DN40、DN50、DN80、DN100、DN125、DN150、DN200, 前直管 (5D长度) 采用PVC管, 后直管段 (3D长度) 为不锈钢, 被检流量计前后直管段符合流量计检定规程要求。装置主要由动力系统、流量开关与智能控制系统、脉动流减振器、标准表、温度压力检测系统、夹表系统、计算机控制系统和App系统等组成, 系统框图如图1所示。

图1 装置系统框图

图1 装置系统框图

 

其中动力系统按照本装置流量要求, 配备原装进口风机, 功率小, 对风机采用流量调节阀与变频联调控制, 这样即可以减小能耗, 又可以使风机输出压力保持恒定, 有利于快速调节流量;稳压系统采用脉动消波消音器, 主体材料不锈钢, 装置设主调节和副调节, 主调节采用蝶阀, 副调气动薄膜调节阀, 带智能定位器;标准表选用原装进口高精度罗茨流量计, 组合后流量范围满足 (0.5~2 000) m3/h要求;流量控制系统由大小2个自动调节阀控制, 通过闭环控制系统自动完成, 自动调节阀选用气动实行器, 通过微机控制阀开启的大小, 大小调节阀进行气体流量的粗调, 变频为细调[2];被检表安装系统采用升降小车气动夹表与手动夹表相结合, 前直管采用PVC管, 调换轻便环保, 不易因气夹损伤被检表。

以上系统均采用全自动控制方式实现对被检流量计的检定, 使气体在相同时间间隔内连续通过标准表和被检流量计, 通过实时比较两者输出的流量值, 从而得到被检流量计示值误差。其中为提高测量精度, 对不同原理的流量计实现双计量脉冲插入技术。检定数据及结果由计算机保存并将自动生成各种报表、证书。

2 装置原理和功能

目前常用气体流量标准装置的工作方式多为常压法 (负压法) , 本装置上也采用常压法, 使被检流量计与制造流量计厂一致, 并具有温度修正功能, 对实验室温度无特殊要求。

检定时首先按被检表的检定/校准要求设置参数, 安装流量计, 关闭装置进口阀和出口阀, 自动加压密封试漏装置施加规定气压进行泄漏检测。确认系统无泄漏后, 开启风机调节试验流量, 试验室内空气被吸入过滤器进入标准表, 至前直管段流入被检流量计, 过后直管段进入风机回到试验室空间。当流量稳定后, 计算机自动开始校验, 记录流量、温度、压力、时间等参数, 计算机控制系统应用双时间法技术检测 (修正) 标准表和被检表的流量信号, 以及状态温度、压力和湿度参数, 并按一定的数学模型计算仪表系数、基本误差等完成单次测量校准。装置工作示意图如图2所示。

本装置具有适用范围广的特点, 可检定/校准的流量计有:速度式流量计, 如涡轮流量计、旋进旋涡流量计、涡街流量计、超声波流量计等;容积式流量计, 如罗茨流量计、工业膜式煤气表等;差压式流量计, 如V型内锥流量计、文丘利流量计、均速管流量计、皮托管流量计等;质量流量计, 如热式气体质量流量计、科利奥力式质量流量计等。可接收的信号有:脉冲信号, 包括电平脉冲、开关脉冲和光标信号;模拟信号:包括电流信号和电压信号;还有可接受PNP、NPN信号。在检定App中对于无信号输出的直接模拟指示型仪表也设计了检定方法。

图2 装置工作示意图

图2 装置工作示意图 

 

对脉冲输出型流量计单次检测的系数或示值误差:

计算公式

对电流输出或直接指示型流量计示值误差:

计算公式

3 装置App设计

App系统是装置的控制和处理中心, 主要由标准表控制系统、被检表信号采集系统、流量调节控制系统和动力调压控制系统构成。上位机与下位机通过232进行通信工作。每个子系统由高速A/D采样回路、输入输出控制回路等组成, PC机及其应用App通过通信控制每个子系统, 使其有条不紊地工作, 如图3所示。

装置的控制和测量数据处理主要由PLC系统实现, 通过通信接口交换各种操作指令和测量数据[3]。操作员只要将被检表的规格参数、检定流量点、测试方案等在PC机上设置好并按“检测开始”键, 整个检测过程就在PC机和PLC系统的控制下自动完成。同时被检流量计处的压力、温度参数分别由压力变送器和温度变送器检测, 由PLC进行采集和处理, 并将得到的过程参数和检定结果等实时地送PC机显示并保存, 供日后查询、打印、分析等。装置的工作状态也显示在PC机的屏幕或控制柜面板上。

图3 App系统框图

图3 App系统框图

 

其中装置参数设置包括厂家、出厂编号、使用单位、通信端口以及标准表的参数等。检定/校准前, 必须先选取被检表的方案来确定各检测流量点的参数、采样方式、试验项目、测试点等。进入检测状态后, 可以对表进行单点、连续点的误差测试。检定/校准完成后可以查看本次检测数据同时输入检测的参数 (如送检单位、器具名称、器具号、证书号等) , 进行数据存盘。

4 装置试验及不确定度评定

本项目设计的装置投入使用后, 为验证其在实际运行过程中是否稳定可靠, 与本所基于临界流喷嘴的标准表法气体流量标准装置进行了对比试验。试验数据如表1所示。

表1 本装置与音速喷嘴标准装置比对结果     下载原表

表1 本装置与音速喷嘴标准装置比对结果

由表1可以看出, 采用3台不同量程范围的比对表在双罗茨标准表法气体流量标准装置与音速喷嘴标准表法气体流量标准装置进行数据比对, 各比对点流量系数的相对误差均小于千分之二, 考虑到标准装置的扩展不确定度以及检定时环境条件复现的困难性, 这个结果在可接受的范围内。因此, 使用双罗茨标准表法气体流量标准装置开展流量计的检定/校准工作是可行的。装置实物照片如图4所示。

图4 装置实物图

图4 装置实物图 

 

4.1不确定度评定

4.1.1装置不确定度评定模型

以标准表为标准器, 使流体在相同时间间隔内连续通过标准流量计和被检流量计, 比较两者的输出流量值, 从而确定被检流量计的计量性能。不确定度评定公式考虑将标准流量计给出的体积经过压力和温度修正, 换算成被检流量计处的体积实际值, 根据计算公式得到数学模型为:

计算公式

式中:Vsn为流过被检流量计的实际体积值, L;Vs为标准流量计给出的实际体积值, L;Ps为流过标准流量计侧气体的绝对压力, Pa;Ts为流过标准流量计侧气体的温度, K;Pn为流过被检流量计侧气体的绝对压力, Pa;Tn为流过被检流量计侧气体的温度, K;Zs为流过标准流量计侧气体的压缩系数;Zn为流过被检流量计侧气体的压缩系数;

采用标准流量计作标准时, 不需要进行湿度修正。当标准流量计和被检流量计间的压力差小于一个大气压时, 可视Zs=Zn[4], 故得到简化数学模型:

计算公式

4.1.2装置标准不确定度分量评定

(1) 标准流量计的不确定度ur (Vs)

依据标准流量计校准证书 (Urel=0.25%, k=2) , 其标准不确定度:

计算公式

(2) 压力测量引入的标准不确定度ur (Ps)

绝压和差压传感器的准确度均为0.075%, 按矩形分布, 则有:

计算公式

估A/D转换引入的不确定度为0.02%, 则:

(3) 温度测量引入的标准不确定度ur (Ts)

标准表处和被检表处的Pt100测量引入的误差为0.1℃, 转换引入的误差0.1℃, 按矩形分布考虑, 则有:

计算公式

(4) 时间测量引入的标准不确定度ut (t)

时间的测量精度比较高 (具体可依据晶振校准证书) , 一般可估ut (t) 为:

计算公式

4.1.3装置扩展不确定度评定 (表3)

表3 标准不确定度一览表 

表3 标准不确定度一览表

设各标准不确定度不相关, 流过被检流量计的实际体积值的合成标准不确定度为:

计算公式

本装置取包含因子k=2, 装置扩展不确定度Urel为:

江苏华云流量计厂

5 结束语

标准表法气体流量标准装置是目前国内外普遍采用的流量标准装置。本项目采用高精度罗茨流量计作为标准表的气体流量标准装置具有结构紧凑占地面积小、能耗低、效率高、工作稳定和标准表使用寿命长等特点。该装置与本所其他气体标准装置进行比对试验, 结果表明该装置测量不确定度优于0.33%, 测量范围度达4 000∶1, 有效解决了本所气体流量计检定/校准的需求。


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