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气体流量计标准装置分类以及检测原理

时间:2018/06/07来源:未知

  气体流量标准装置概述: 为了科学合理地使用气体,需要对气体流量进行的计量。气体流量标准装置就是为检定、校准气体流量计的准确度而建立的标准装置。和长度、质量、电流等常规量不同,流量是一个导出量,流量计量是一个复杂而又动态的计量过程。气体流量的计量由于受到气体的热膨胀性以及压缩性等的影响,这就使得在建立气体流量标准装置的时候需要考虑更多的因素。气体流量标准装置是计量中较为复杂的计量标准装置,它可以对各种类型的气体流量计进行检定和校准。由于气体流量计量本身的复杂性,测量原理的不同,流量范围大小不同,工作条件的转换(特别是压力温度的影响),这就导致气体流量标准装置具有多样性。大家需根据不同的气体流量计的特性来选择气体流量标准装置进行检定和校准工作。 

气体流量标准装置的分类:
  气体流量标准装置可以分成两大类:原始标准和传递标准,目前在国际上已经具有多种型式的标准装置,如图 2-1 所示。原始标准包括容积法和质量法两大类的装置,每一种装置有静态法和动态法。例如容积法中的 PVTt(压力、容积、温度、时间)法属于静态容积法装置,钟罩式、气体体积管、皂膜式等属于动态容积法装置,其中,钟罩式也可用于静态容积法[2];质量法中质量时间(Mt)法属于静态质量法,如图 2-1 所示。 
图 2-1   气体流量标准装置的分类
图 2-1   气体流量标准装置的分类 

原始标准:
(1)钟罩式气体流量标准装置 钟罩式气体流量标准装置是以空气为介质,对气体流量计进行检定的标准设备。它是一种比较经典的气体流量标准装置,在压力不高、流量不大的情况下,装置使用起来是比较简单的。因此,在国内气体流量计量领域得到广泛的使用[1-4]。 

  目前国内钟罩容积的规格主要有(50~10000)L,***大流量可以达到 45000 m3/h,流量测量准确度一般优于 0.5 级,***高能够达到 0.2 级[1-4]。 
  德国 PTB 的钟罩,容积为 1m3,流量范围为(1~60)m3/h,流量测量不确定度为0.06%(k=2),见图 2-2。 
  中国计量院的钟罩容积为 1m3,流量范围为(1~60)m3/h,流量测量的不确定度为0.1%(k=2),见图 2-3。 
图2-2   德国PTB的钟罩                       图2-3  中国计量院的钟罩

图2-2   德国PTB的钟罩                       图2-3  中国计量院的钟罩 
(2)PVTt 气体流量标准装置[2] PVTt 法是将检定时间间隔为 t 内的被测气体通过导向阀导入一个已知容积为 V 的定容罐内,当定容罐内的气体处于平衡状态后,测量其温度 T 和压力 P,从而复现气体质量流量的一种标准装置。通常用于检定音速喷嘴,也可检定其他高精度的流量计,流量测量准确度等级一般优于 0.1 级。 

其特点为: 
1)  装置的准确度高,由于装置的标准容器的容积是固定不变的,其质量流量是由静态测量压力和温度计算出来的,只要选择准确度高的测压和测温仪器,就能保证高精度的测量;
2)装置内没有如钟罩气体装置内的密封液体,可以避免湿度的影响;
3)  装置的气源可以是高压或负压;
4)  目前国内 PVTt 法气体装置,  ***大流量可达 1300m3/ h,流量测量的不确定度为0.15%( k= 2)  。 

(3)  m.t.法气体流量标准装置:
  m.t.法气体流量标准装置也称为称量法气体流量标准装置,它是在时间 t 内,用称重设备直接测量容器中气体质量 m 的变化。m.t.法需要得到气体的净质量,为了提高测量结果的准确度,就必须提高气体密度,所以要增加气体压力来实现,整个过程就是为了提高气体净质量在总称量中的比例  [2]。 
其特点为: 
1) m.t.法气体装置的压力要比 p VTt  法气体装置的压力高。
2) m.t.法的准确度较高,国内典型的 m.t.法气体装置,***大流量为 8640kg/h,装置的流量测量不确定度为 0.1%(k=2)。 
(4)活塞式气体流量标准装置 活塞式气体流量标准装置分为高压和低压装置,目前主要应用在在天然气计量环节,特别是针对高压天然气计量。
(5)皂膜式气体流量标准装置 皂膜式气体流量标准装置用于微小流量,一般体积流量不超过 12L/min,结构如图2-4 所示。 
图 2-4   皂膜装置结构示意图

图 2-4   皂膜装置结构示意图
  皂膜气体流量标准装置属于动态容积法装置,皂膜管容积有(10~6000)m L 之间的多种规格,装置的准确度等级通常为1~2级,皂膜气体流量标准装置容积大于1000m L时,在严格操作的条件下流量测量准确度可达到 0.5 级[2]。 
(6)置换法气体流量标准装置,结构如图 2-5 所示。 
图 2-5   置换法气体流量标准装置
图 2-5   置换法气体流量标准装置 
  恒压的液体(水或油)以一定的流量流入定容容器内,用液体置换气体以求得流量的装置。 
传递标准:
  标准表法气体流量标准装置选择标准流量计的原则是准确度高、重复性好、稳定可靠的流量计,一般以临界流文丘利喷嘴和气体涡轮流量计为主。 
(1)音速喷嘴法气体流量标准装置 临界流文丘里喷嘴是个孔径逐渐减小的流道,喷嘴的喉部为孔径***小的部分,并且在喉部的后面有孔径逐渐扩大的流道。若喷嘴进口压力不变,减小出口压力,即减小压力比则流过喷嘴的气体流量将增加,当压力比小到临界压力比时,气体流量达到***大。此时,再降低出口压力即出口压力比,流量将保持不变。正是由于临界流文丘利喷嘴的这个特性,世界上的气体流量标准装置普遍采用它作为气体流量传递标准,在国际流量装置比对中也常用它作为传递比对组件[2]。 
  国内以临界流文丘里喷嘴作为标准表的实验室装置***大流量可以达到 5000m3/ h, 装置的流量测量的不确定度为 0.15%( k= 2)。
(2)采用气体涡轮流量计为标准的标准表法气体流量标准装置 
  气体涡轮流量计属于速度式流量计,原理是流体的流量与叶轮的旋转角速度成正比。测量范围宽、具有准确度高、重复性好以及压力损失小等特点。 
  根据国内气体流量行业的发展状况来看,气体流量计量已经不是单一参数的计量,比如天然气就属于多参数、多组份复杂气质的气体,而且现场计量的特点是管线压力高、流量计的口径大。因此,单纯采用离线流量装置进行检测、校准,已经满足不了流量量值传递的要求。采用气体涡轮流量计为标准表,可方便地建立在线气体流量标准装置。随着天然气流量的不断增加和计量工作的发展,在线计量不仅解决流量计的动态计量问题,而且该方法还能充分的将流体的物性参数、安装操作条件和环境条件等多种因素的影响包括进来[2]。 

国内外活塞式气体流量标准装置的发展状况:
(1)德国 PTB 小活塞的流量范围为(0.2 ~ 200)L/h,玻璃管的直径为 19 mm、44 mm、144 mm,玻璃管的长度为 930 mm,玻璃管内径的不确定度为 U= 3 μm (k=2),流量测量不确定度为 0.25%(k=2),如图 2-6 所示。
(2)瑞士 METAS 小活塞的流量范围为(6 ~9000) L/h,流量测量不确定度为 0.05 % (k=2),测量时间为 15s~600s,工作压力为 10h Pa,如图 2-7 所示。 
图2-6   德国PTB小活塞                            图2-7   瑞士METAS小活塞


图2-6   德国PTB小活塞                            图2-7   瑞士METAS小活塞

3)意大利的气体大活塞的流量范围:(0.3~25)m3/h,如图2-8所示。 
图2-8   意大利的气体大活塞
图2-8   意大利的气体大活塞
(4)中国计量院的活塞式气体流量标准装置的流量范围为(0.5~150)m3/h,体积流量不确定度为:U=0.05%,k=2,重复性优于0.01%,缸内工作压力为绝压160k Pa,如图2-9所示。
图2-9   意大利的气体大活塞

图2-9   意大利的气体大活塞 
(5)德国 Pigsar 的活塞式天然气体积管原级标准的缸体长度为 6 m,实验段长度为3 m,缸体材料为不锈钢,活塞材料为铝,活塞密封圈材料为 PTFE,缸体直径为 0.2508 m,***大允许压力为 90 bar  ,流量范围为(25 ~ 480)m3/h,体积流量不确定度为 0.02 % (k= 2)  ,如图 2-10 所示。 
图2-10   Pigsar的活塞式天然气体积管原级标准
图2-10   Pigsar的活塞式天然气体积管原级标准
(6)中航工业北京长城计量测试技术研究所研制的活塞式气体小流量标准装置流量范围:(0.01~10)L/min,流量测量不确定度 0.2%(k=2),如图 2-11。 
图 2-11   活塞式气体小流量标准装置

图 2-11   活塞式气体小流量标准装置 
(7)浙江省计量科学研究院建立的活塞式气体流量标准装置,***大工作压力可达0.4MPa,***大测量流量为 100m3/h,流量测量不确定度为 0.05%(k=2),如图 2-12 所示。 
图 2-12   浙江省计量科学研究院活塞式气体流量标准装置
图 2-12   浙江省计量科学研究院活塞式气体流量标准装置
(8)苏州测绘仪器有限企业的主动式活塞式气体流量标准装置的型号和各项技术指标见表 2-1 所示。 
表 2-1  型号和各项技术指标 型号  气缸有效容积(L)  流量范围(m3/h) 工作压力  准确度等级 FPP-100  100  0.01~10  (0~10)k Pa  0.05 级(k=2)FPP-200  200  0.6~20  (0~10)k Pa  0.05 级(k=2)FPP-500  500  1~50  (0~10)k Pa  0.05 级(k=2)
表 2-1  型号和各项技术指标
表 2-1  型号和各项技术指标 
  但是这些装置的流量范围较小,工作压力较小。和国外同类装置相比,经中国测试技术研究院标定,在 0.95 的置信概率下,流量测量不确定度为 0.03%。 

小结:本章阐述了气体流量标准装置的种类,各装置的流量测量范围和准确度,以及现阶段国内外活塞式气体流量标准装置的发展现状。

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