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气体容积式流量计工作原理及分类|校准方法原理先容及操作步骤

时间:2018/04/29来源:未知

    要:

文章先容了一种利用标准金属量器作为标准器, 采用静态容积法实现高精度气体容积式流量计的量值溯源。如果流量计使用单位现场温度条件控制较好, 则可对流量计进行在线校准, 不但保证流量计的稳定性, 省时省力, 还可以使得流量计的校准条件和使用条件一致, 不会产生由使用条件引起的偏差。

苏州拥有众多国际流量计生产企业, 这些企业生产设备先进, 质量控制严格, 产品无论是从精度还是覆盖范围上来说都走在国际前列。其中, 某国际燃气表生产企业于2013年整体搬迁至苏州, 主要生产膜式燃气表, 年产量约20万台。企业内部拥有多套气体流量标准装置, 包括钟罩式气体流量标准装置 (0.5级) 和标准表法气体流量标准装置[1] (0.5级) , 其中标准表法装置都是采用高精度的湿式气体流量计 (0.2级) 作为标准表。湿式气体流量计属于气体容积式流量计, 根据JJG 633—2005《气体容积式流量计检定规程》和JJF 1357—2012《湿式气体流量计校准规范》, 如果对这些0.2级的高精度湿式气体流量计进行检定/校准, 那么所用的主计量标准器的扩展不确定度应小于或等于被检流量计***大允许误差的1/2。按照《计量法》“经济合理、就地就近”的原则, 客户单位希翼我单位能够对其计量器具进行有效的检定或者校准。但是我所流量检测室目前***高精度的气体流量标准装置为钟罩式气体流量标准装置 (0.2级) , 无法满足对0.2级的湿式气体流量计开展检定/校准的要求。同样, 国内很多燃气表生产企业都是采用高精度的湿式气体流量计 (0.2级) 作为标准表而建立标准表法气体流量标准装置对燃气表进行出厂检验, 而很多当地的法定计量检定机构尚不具备满足检定要求的标准装置对这些标准表开展检定/校准。

1 气体容积式流量计工作原理及分类

气体容积式流量计是一种记录一段时间内流过气体总量的累积式流量仪表。其原理是当气体流过流量计时, 内部机械运动件在气体动力作用下, 把气体分割成单个已知回转体积的气室, 并进行重复不断的充满和排空, 通过机械或电子测量技术记录其循环次数, 得到气体累积流量[2]。气体容积式流量计包括气体腰轮流量计、旋转活塞式气体流量计和湿式气体流量计等, 而湿式气体流量计又分为2类[3]:第1类是1.0级、1.5级, 非定点使用的工作湿式气体流量计, 多用于一般气体的体积测量;第2类是0.2、0.5级, 定点使用的标准湿式气体流量计, 主要用于高精度的气体体积测量或用于量值传递。

对于准确度等级不高于0.5级的流量计, 可用实验室0.2级的钟罩式气体流量标准装置进行量值溯源;而对于0.2级的流量计, 特别是广泛应用于燃气表生产企业的标准湿式气体流量计, 其校准方法、特别是有效可行的在线校准方法的研究, 则为本文讨论的重点。

2 校准方法原理先容及操作步骤

2.1 流量计的基本校准方法

静态容积法[4]。用管道将稳压气源、被校标准湿式气体流量计 (以下简称“流量计”) 和气液两用式二等标准金属量器三者串联起来, 在静止状态下, 记录流量计的初始值;开启阀门, 使流量计在预定流量下运行, 当标准金属量器内的液位降到下零位时关闭阀门, 读取流量计的终态值, 与标准金属量器的值进行比较, 根据检测期间记录的温度、压力、湿度等参数, 按计算公式计算得到流量计的示值误差。原理简图如图1所示。

图1 原理简图

图1 原理简图   下载原图

 

2.2 具体操作步骤

(1) 流量计定温:将流量计放置在校准条件下足够的时间, 测量密封液温度和环境温度, 使两者达到表1的要求。

表1 允许温差    下载原表

表1 允许温差

(2) 管路连接:按照上图连接好稳压气源 (本项目采用钟罩式气体流量标准装置作为稳定的气源, 如果需要较大压力, 则可以增加钟罩内部压力或者采用稳压罐等方法) 、流量计、瞬时流量指示器和标准金属量器 (根据流量点, 选择合适的标准金属量器, 可提高校准效率) , 并使流量计处于水平位置。

(3) 密封性检查:打开气路阀门1和2, 关闭其他阀门, 静置5 min, 观察钟罩上的标尺刻度是否下降, 不得漏气。

(4) 预运行:打开气路阀门1和2, 以及排气阀, 使流量计在0.7qmax~qmax流量下运转5 min。

(5) 关闭气路阀门2, 打开液路阀门及排气阀, 用潜水泵将水槽内的水灌满量器。

(6) 关闭液路阀门及排气阀, 打开气路阀门2, 使得气路内压力一致, 调整标准量器的水位至上标准刻度, 读取流量计的起始流量值Q1, 稳定2 min后打开排液阀 (即流量调节阀) , 根据瞬时流量指示仪所指示的反馈流量快速调节排液阀至校准流量点, 开始校准, 同时记录标准量器处 (以水槽内水温代替) 、流量计处及环境三个温度, 如果三者之差超过表1的要求, 那么此次结果应舍弃。

(7) 待标准量器的水位降至下标准刻度时, 快速关闭排液阀, 待流量计的指针稳定后读取***终流量值Q2, 则流量计流过的累积流量为V=Q2-Q1

(8) 每个点重复上述步骤, 做6次。

根据客户实际使用情况, 确定校准流量点的个数。

3 数据处理

流过流量计的气体体积实际值按式 (1) 计算:

 

计算公式

 

式中:Vrel为流过流量计的气体体积实际值, L;Ts、Tm为标准器内和流量计处的气体热力学温度, K;ps、pm为标准器内和流量计处的气体压力, Pa;Vs为标准器示值, L。

单次测量的示值误差Eij按式 (2) 计算:

 

计算公式

 

第i测量点的示值误差Ei按式 (3) 计算:

 

计算公式

 

第i测量点的重复性 (Eri按式 (4) 计算:

 

计算公式

 

为了验证该校准方法的可行性, 采用一台0.2级的湿式气体流量计作为被检表, 流量范围0.5~6.0 m/h, 分别在客户现场用0.025级气液两用式二等标准金属量器和在本单位实验室用0.2级钟罩进行校准, 得到数据如表2所示, 可见试验结果完全符合要求。

表2 客户现场和本单位实验室数据比对    下载原表

表2 客户现场和本单位实验室数据比对

4 不确定度评定[5]

4.1 标准金属量器引入的相对标准不确定度分量us

所用的二等标准金属量器的准确度等级为0.025级, 因此引入的相对标准不确定度分量us=0.025%/2=0.0125%。

4.2 示值误差引入的相对标准不确定度分量uE

取各校准流量点示值误差重复性的***大值作为相对标准不确定度分量uE。根据校准结果, 在qmax流量点的重复性***大, 为0.034%, 即uE=0.034%。

4.3 压力测量引入的相对标准不确定度分量up

流量计和标准量器处的压力测量选用的压力变送器, 精度为0.1%, 根据JJF 1059—1999中关于标准不确定度的B类评定要求, 可认为其标准差为均匀分布, 包含因子计算公式, 由此引入的不确定度分量upm=ups=0.058%。

4.4 温度测量引入的相对标准不确定度分量uT

流量计和标准量器处的温度测量选用的pt100铂热电阻, 在0~50℃***大极限误差为0.1℃, 根据JJF 1059—1999中关于标准不确定度的B类评定要求, 可认为其标准差为均匀分布, 包含因子计算公式, 由此引入的不确定度分量为:

 

计算公式

 

4.5 流量计合成标准不确定度u

由于上述各标准不确定度分量相互独立, 因此:

 

计算公式

 

4.6 流量计扩展不确定度U

 

计算公式

 

可见U<0.2%, 符合作为标准湿式气体流量计的扩展不确定度的要求[3]。

5 结束语

本文所先容的校准方法, 充分利用已有的标准器 (气液两用式二等标准金属量器) , 可对高精度 (0.2级) 的湿式气体流量计进行有效可行的校准, 不需要额外采购高精度的标准器, 节约成本。如果客户现场温度等环境条件控制较好, 则可在线进行校准, 使得流量计的校准条件和使用条件一致, 所测得的数据更符合实际使用情况, 真正做到“服务, 客户至上”。


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