气体流量（精选九篇）
气体流量 篇1
关键词：气体转子流量计,非标刻度,流量换算,标准状态
1 引言
气体转子流量计是以某种气体为介质按一定状态下的标况体积流量来刻度的 (对于玻璃转子流量计刻度的是表示刻度条件下标况流量的刻度标尺, 对于金属转子流量计刻度的是表示刻度条件下标况流量的模拟或数字输出信号) 。如果被测介质和实际工况与刻度时的介质和工作状态一致, 转子流量计的刻度输出就是实际测得的标况体积流量, 不需要换算。但是, 由于实际测量时气体介质或工作状态与刻度时不同, 转子在测量管中的同一位置所代表的流量值和刻度时是不同的, 要想正确使用气体转子流量计, 就必须知道它们之间的流量换算关系。
在国际上, 气体转子流量计通常是以空气为介质按标准状态下的标况体积流量来进行刻度的。但是国际上对标准状态的定义有两种:国内通常采用101.325kPa、20℃ (293.15K) ;国外通常采用101.325kPa、0℃ (273.15K) 。在这种标准刻度情况下的流量换算在JJG 257-1994《转子流量计检定规程》[1]以及大多参考书上都有详细介绍。但是, 在某些情况下, 气体转子流量计并不是按以上标准来刻度的, 比如:
(1) 刻度介质不是空气;
(2) 刻度状态不是标准状态;
(3) 以用户实际测量的气体按实际工况下的标况体积流量来进行刻度 (国外进口的转子流量计居多) ;
(4) 有时采用一种气体介质 (比如空气) 进行刻度, 而实际使用的介质是另一种气体 (如氮气、氧气、二氧化氮等) 。
下面主要介绍在这些非标刻度情况下标况流量的换算*。
2 气体转子流量计的工作原理
转子流量计是以转子在垂直锥形管中随着流量变化而升降, 改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表, 又称浮子流量计。气体转子流量计的基本流量方程式为[2,3]:
式中:Q———气体体积流量, m 3/h;CR———流量系数, 与流体的流动形态和转子的形状等因素有关;AR———转子与锥形管间的环形面积, m 2;Af———转子的最大截面积, m 2;g———重力加速度, 9.81m/s2;Vf———转子的体积, m 3;ρf———转子的密度, kg/m 3;ρ———被测介质的密度, kg/m 3。
对于同一个气体转子流量计, 在同一刻度下, 由式 (1) 可得两种气体的流量关系为:
式中:Q1———第一种气体的体积流量, m 3/h;Q2———第二种气体的体积流量, m 3/h;ρ1———第一种气体的密度, kg/m 3;ρ2———第二种气体的密度, kg/m 3。
由于式 (2) 可简化为:
3 非标刻度气体转子流量计的流量换算
考虑到普遍适应性, 假设气体转子流量计是以某种气体为介质 (密度为ρC) 按某一状态 (压力为PC, 温度为TC) 下的标况体积流量来刻度的。仪表输出为刻度状态下的标况流量, 即:
式中:QCN———刻度气体在刻度状态下的标况流量, Nm 3/h;QC———刻度气体在刻度状态下的工况流量, m 3/h;PC———刻度状态下的绝对压力, kPa;PN———标准状态下的绝对压力, 101.325kPa;TC———刻度状态下的绝对温度, K;TN———标准状态下的绝对温度, 国内293.15K, 国外273.15K。
由式 (4) 转换为刻度状态下的工况流量为:
由式 (3) 和式 (5) 得被测气体在工作状态下的工况流量为:
式中:Q———被测气体在工作状态下的工况流量, m 3/h;ρ———被测气体在工作状态下的密度, kg/m 3。
由式 (6) 可得被测气体在工作状态下的标况流量为:
式中:QN———被测气体在工作状态下的标况流量, Nm 3/h;P———被测气体在工作状态下的绝对压力, kPa;T———被测气体在工作状态下的绝对温度, K。
由气体状态方程 (被测气体不一定与刻度气体是同种气体) , 可得:
式中:ρN———被测气体在标准状态下的密度, kg/m 3;ρCN———刻度气体在标准状态下的密度, kg/m 3。
由式 (7) 和式 (8) 得被测气体在工作状态下的标况流量为:
如果被测气体与刻度气体为同一气体, 则
4 两种标准状态的流量换算
对于国产仪表, 由于国内标准状态通常采用101.325kPa、20℃, 由式 (9) 得被测气体在工作状态下的国内标况流量为:
式中:QN 20———被测气体在工作状态下的标况流量 (101.325kPa、20℃) , Nm 3/h;QCN 20———刻度气体在刻度状态下的标况流量 (101.325kPa、20℃) , Nm 3/h。
如果被测气体与刻度气体为同一气体, 由式 (11) 得:
对于进口仪表, 由于国外标准状态通常采用101.325kPa、0℃, 由式 (9) 得被测气体在工作状态下的标况 (101.325kPa、0℃) 流量为:
式中:QN 0———被测气体在工作状态下的标况流量 (101.325kPa、0℃) , Nm 3/h;QCN 0———刻度气体在刻度状态下的标况流量 (101.325kPa、20℃) , Nm 3/h。
对于进口仪表, 在国内使用时, 通常还需将被测气体在工作状态下的标况流量从标准状态 (101.325kPa、0℃) 转换成标准状态 (101.325kPa、20℃) :
如果被测气体与刻度气体为同一气体, 由式 (11) 得:
5 应用举例
某进口气体转子流量计是以二氧化氮为介质按800kPa (表压) 、50℃的刻度状态下的标况 (101.325kPa、0℃) 体积流量QCN 0来刻度的。现在用来测量氮气在工作状态下 (P, T) 的标况 (101.325kPa、20℃) 流量QN 20。
这里刻度状态为:PC=800+101.325kPa, TC=50+273.15K。
查表可得:
二氧化氮在标准状态 (101.325kPa、0℃) 下的密度ρCN 0=1.997kg/m 3,
氮气在标准状态 (101.325kPa、0℃) 下的密度ρN 0=1.25kg/m 3,
由式 (15) 可得氮气在工作状态下 (P, T) 的标况 (101.325kPa、20℃) 流量为:
6 结束语
熟练掌握气体转子流量计的流量换算对正确选表和用表至关重要。在国际上, 气体转子流量计通常是以空气为介质按标准状态下的标况体积流量来进行刻度的。但是, 当气体转子流量计采用非标刻度时, 必须采用相应的换算公式进行密度、温度、压力三参数的修正, 才能得到被测气体在工作状态下的标况流量。对于进口仪表, 还要注意国内外标准状态的定义不同, 必须换算到国内标准状态。
参考文献
[1]JJG257-1994, 转子流量计检定规程[S].北京:中国计量出版社, 1994.
[2]盛克仁.过程测量仪表[M].北京:化学工业出版社, 2001.
气体流量传感器的工作原理 篇2
气体流量传感器的工作原理
气体流量传感器按国际标准化组织IS07145(在环形截面封闭管道中的流体流量测定—在截面一点的速度测量法)，采用埋入压电晶体的涡街测速探头，流量传感器插入大口径工业管道内，将卡门旋涡频率转换为与流量成正比的电流或电压脉冲信号或4～20mADC电流信号。
气体流量传感器LUCB型插入式涡街流量计按国际标准化组织IS07145(在环形截面封闭管道中的流体流量测定—在截面一点的速度测量法)，气体流量传感器采用埋入压电晶体的涡街测速探头，插入大口径工业管道内，将卡门旋涡频率转换为与流量成正比的电流或电压脉冲信号或4～20毫安电流信号。
标准表法气体流量标准装置的研制 篇3
【关键词】气体；标准表法；流量；稳定性；水平
一、前言
传统标准装置包括有称量法标准装置、容积法标准装置及标准表法标准装置，而其中标准表法标准装置是目前比较广泛使用的传递标准装置之一。相比于液体流量测量，气体流量测量要求更高，因此存在的问题相对较多，气体流量标准装置的研究与应用关系着流量计量与测试技术发展水平，是相关领域非常重视的重要环节。与其它方法的流量标准装置相比，标准表法具有的优势包括有成本少、结构简单、易操作、建设周期短、流量范围宽以及工作质量与效率高等，特别适合于中小型仪表生产厂家对仪表的检定。
二、标准表法气体流量标准装置的工作原理
标准表法气体流量标准装置的主要工作原理：以标准流量计为标準器，使流体在相同时间间隔内连续通过标准流量计与被检流量计，比较两者的输出流量值，从而确定被检流量计的计量性能。标准表法流量标准装置结构，一般由泵、试验管路系统、标准流量计、被检流量计、温度和压力传感器等组成。通过流体连续方程可知，在一定时间内，串联在同一管道上流量计通过的流体累计容积是相等的。那么，当流量稳定时，以标准流量计为标准表，分别对被检和标准两处的温度、压力进行测量，比较两者的输出流量值，就能确定被检流量计的计量性能。标准表法流量标准装置在使用过程中，要比其他方法结构更简单、效率更高，而且由于其一条试验管路可以用一台或并联的多台标准流量计，所以此类标准装置有较大的流量范围。
三、标准表法气体流量标准装置硬件的选型方案
（一） 标准表
标准表法流量标准装置的标准表部分可以由单台标准表构成，也可以由多台标准表并联组成，一般采用的是重复性好的罗茨流量计和涡轮流量计。为了满足设计指标要求，结合各类流量计各自特点，决定采用两种流量计并联做标准表的方式，这种方法既能扩大标准装置的流量范围，又能极大地提高工作效率。
1.罗茨流量计
罗茨流量计通过转子与壳体之间形成一个具有一定标准容积的密闭计量空间，从而反复计量通过流量计的流体体积。罗茨流量计的工作原理为：当气体通过流量计时，在入口与出口之间产生的压差使得转子转动，通过驱动齿轮，另一个转子反向转动，每转动一周，计量空间内周期性发生充气与排气。流量增加，转子转动的角速度就会增加，通过连续循环工作，流体被分割为若干个单独的体积部分，利用同步齿轮和计数装置计量流经计量腔气体累计体积。这一流量计具有计量精度高、重复性好、工作寿命长等优点，而且对前后直管段要求不高，安装管道条件对流量计的精度没有影响。
2.涡轮流量计
涡轮流量计属于速度式流量计，主要由8部分组成。当流体进入管道时，经过前导向件引导流体进入流量计，冲击位于管道中心的涡轮叶片，驱动涡轮产生转动，在一定程度上涡轮转速与流体流速成正比，从而得到流体流量值。涡轮流量计精确度高、重复性能好、抗干扰能力强及压力损失小，但是小口径的涡轮流量计性能较差，难以达到标准表的要求，所以，涡轮流量计适用于大中型口径的流量测定。
（二）流量控制系统
不同流量计对流体的流量有一定的要求，因此当流体通过流量计时，需要对气体流量进行控制。流量控制系统包括两种方式，第一种为使用交流异步电机，通过加装变频器而改变频率，控制风机的转速，从而达到控制流量的目的；另一种为在管道上加装调节阀，通过控制其阀门的开度大小而控制气体的流量。不管是使用哪一种流量控制系统，对控制气体流量标准装置的气体流量都有着重要作用。
（三）管路系统
管路系统连接整个标准装置的所有硬件，安装时接口处需使用螺栓加装弹簧垫圈，并在两端管道采用橡胶垫圈密封连接，从而防止漏气现象的出现。气源管路与标准表管路之间单独使用柔性接头连接，能有效降低由风机转动引起机械振动的传导。被检流量计管路配置足够长的前后直管段，被检流量计离任何上游部件20倍公称通径，离任何下游扰动部件10倍公称通径；同时，为了达到有效减少流阻、降低噪音的目的，将管道进出气口都做成喇机口。
四、流量稳定性测试及检定实验
为提高该装置的稳定性，在设计时一般将管网入口段直接接大气，风机在出口端吸气，因为大气作为气源，能够充分保证装置的高稳定性。采用累积时间内气体流量稳定性对该装置流量稳定性检定。检定方法为：当每条管道为最大流量和最小流量时，分别进行检定，连续记录反映流量大小的输出信号qi（i=1，2，…，n；n≥60）。则流量平均值为：
五、结语
总而言之，对标准表法气体流量标准装置的研制，使得计量检测水平有了一定程度上的提升。标准表法流量标准装置结构简单、易操作、建设周期短以及投资成本少，特别适合于中小型仪表生产厂家对仪表的检定，对其进行研究设计，有利于标准装置的广泛应用，对流量计的研发以及生产水平的提高具有重要意义。
参考文献
[1]赵宁，陈世砚，王清.便携式小型气体流量标准装置的研制[J].电脑迷，2013，（3）：87-88.
气体流量 篇4
气体转子流量计是将某种气体当作介质,按照某一状态下的标况刻度的。如果被测介质与实际工况、刻度时的介质工作状态一致,那么,转子流量计输出的刻度就是实际流量,这种情况就不需要对其进行换算。但是,在实际测量过程中,因为气体介质或者相应的工作状态、刻度时之间存在一定的差异,所以,转子在测量管中相同位置代表的流量值和刻度时也是不同的。要想正确运用气体流量计,就一定要了解它们之间的换算关系。
在实际范围内,一般情况下,气体转子流量计是将空气作为介质,在标准状态下、标况体积流量下进行刻度的。在世界范围内,对于标准定义有2种,我国采用的是101.325 k Pa、20e(20℃),国外采的是101.325 k Pa、0e(0℃)。鉴于这种情况,在《转子流量计检定规程》中详细说明了流量换算方式。在这种情况下对气体流量计进行刻度,并不是根据以上标准进行的。例如,刻度的介质并不是空气,刻度状态并不是标准状态,将用户实际测量的气体集合实际工况下的标况体积流量实施刻度,有时利用一种气体介质实施刻度,但是,在实际的使用过程中,所使用的气体却是另一种,例如氮气或者氧气等。
2 气体转子流量计的使用原理及应用
在使用转子流量计的过程中,转子在垂直锥形管中,并且随着流量的变化而升降,其流通面积有了一定的改变,所以,测量体积的仪表也变成了浮子流量计。气体转子流量计基本工作流程可以通过式(1)表示:
式(1)中:Q为气体体积流量。
在使用气体转子流量计的过程中,当流量发生变化时,浮子可能会在垂直的锥形管内上下浮动。这时,椎管与浮子之间形成的环形流通面积便会发生一定的变化,即基于这一原理实现对流量的测量。因为这种仪表的机械结构较为简单,加工也十分边界,工作较为稳定,具备较高的可靠性,所以,在其使用过程中,损失的压力也比较小,最重要的是其可以测量低雷诺书小流量介质,或者被广泛应用于自动控制系统中。
椎管转子流量计是由一个锥形管和一个可以在锥形管中上下浮动的转子构成的,其结构如图1所示。
在底部一般与垂直管段的法兰连接,这些流体从上往下的流过计量器,这时转子会上下运动。如果管中的流体是自下而上的,当流过转子和锥管时,流体便会被转子截流,转子上游与下游之间承受的压力会有所不同,转子上截面和下截面会产生一定的压力差。这时的转子会受到流体为转子带来的压力、转子在流体中承受的浮力和重力3种压力。
3 非标刻度气体转子流量计的流量换算
3.1 标况流量
在分析其适应性时,假定气体转子流量计是将某种气体作为介质的,按照某种状态下的标况体积流量来确定,那么,仪表输出则是刻度状态下的标况流量,其公式为:
式(2)中:Qcn为刻度气体在刻度装填下的标况流量,Nm3/h;Qc为刻度气体在刻度状态下的工况流量,m3/h;Pc为刻度状态下产生的绝对压力,k Pa;Pn为标准状态下所存在的绝对压力,101.325 k Pa;TC为刻度状态下的绝对温度;TN为标准状态下的绝对温度。
3.2 转子流量传感器流出系数标定
通过相应的推导,详细分析了转子的第二次节流造成的能量变化黏滞阻力能量损耗问题,同时,在流量系数中添加了损耗节流黏滞阻力能的系数。推导出的流量方程充分考虑了工作机理和工作特性,通过转子流量器数学模型推导出来的结果的正确性得到了有效的提升,但是,分析其在实际中的应用问题,利用数学模型计算出来的黏滞压力损失系数K不是十分标准。一般情况下,K值是通过实流标定实验方法得到的,因此,不单独计算这一损失系数。为了使转子流量器数学模型中位置参数的个数保持稳定,主要是将节流黏滞阻力压力带来的损失影响归入到留出系数并体现出来,采取这样的方式就能减少未知数的个数。通过实流实验,利用测得的流量和浮子所产生的高度可以确定流量方程中仅有的一个未知数,这一未知数也就是留出系数,同时,还能获取流量和转子的高度所一一对应的转子流量传感器所对应的流量方程。
3.3 应用分析
某进口气体转子流量计是将二氧化氮作为介质的,其按照800 k Pa和50℃刻度状态下的标况体积流量QCN0对其进行相应的度量。现在测量氮气在工作装填下(P,T)标况(101.325 k Pa、20 e)的流量QN20。这里所指的刻度状态是:PC=(800+1 011 325)k Pa;TC=50+273 115 K。
4 结束语
总而言之,非标刻度气体转子流量计的流量换算工程看似简单,但在实际应用过程中,需要详细分析各项相关因素,并分析使用过程中的各种影像因素,从而得出精准的结果。
摘要：简要分析了非标刻度气体转子流量计的流量换算问题,研究了气体转子流量计的使用原理和应用情况可知,转子在垂直锥形管中,并且随着流量的变化而升降。同时,详细阐述了非标刻度气体转子流量计的流量换算要素,其中主要有标况流量,转子流量传感器流出系数标定,应用分析等,以期为相关工作者提供一定的理论依据。
关键词：气体转子流量计,流量换算,转子流量传感器,锥形管
参考文献
[1]杜淑华,夏旭东,刘戎,等.气体浮子流量计检定数据处理方法[J].计测技术,2013(S1):143-144.
气体流量计维修及应用 篇5
关键词：气体流量计,共轭转子,同步齿轮
0 引言
压缩空气在车间广泛应用于料仓、电子称气锤的开门、转换气缸、除尘脉冲阀等。这些用气设备,通过电磁阀自动控制,对气体的洁净度要求严格,且必须干燥、无杂质。气体湿度大、有杂质等会影响电磁阀正常工作,造成生产设备故障。为改善电磁阀运行状况,净化气体是从源头解决问题的重要方法之一。通过现场排查,车间用气设备旁都有三联体对气体过滤及油雾润滑,但总管道主管不畅是一大生产安全隐患,气体流量计安装后不能正常工作,需要维修。
1 流量计工作原理
1.1 结构原理
J L Q气体流量计是计量流经管道的气体流量的容积式仪表,主要由壳体、共轭转子和减速计数装置等部件构成。其计量过程和工作原理如图1所示(图中表示了1/4周期)。装于计量室内的一对共轭转子在流通气体的出入口压差(P入>P出)作用下,两转子交替承受转动力矩。转子每转动1周,则输出4倍计量室有效容积的气体流量,转子的转数通过磁性密封联轴装置及减速机构,传递到积算指示计数器,从而显示输出气体的累计流量,流量计的示值误差通过更换挂轮来调整。共轭转子滚珠轴承处设置有润滑装置。
1.2 应用范围
气体流量计具有工作压力范围大、流量量程宽、精度高、使用可靠等特点,并且对流通介质的适应性强,可广泛用于天然气、人工煤气、惰性气体、空气等的流量计量。国内外城市煤气、油田化工、科学研究等部门采用流量计量装置,在企业的现代化管理、经济核算及节约能源等方面起着重大作用。流量计主要由测量和积算两大部分组成(图2为流量计结构示意图),能就地显示累计流量,根据需要可以配置发讯机构,以满足远距离流量测量。
气体流量计经与二次仪表配套使用,可适应不同的大气条件,经过温度和压力补偿,达到标准状态下流量的计量精度,并且便于计算机联网集中监控。
1.3 气体流量的计量
流量计所显示的读数值为管道当时气体实际工作压力和温度状况下的体积流量,如要得到标准状况(101325Pa,20℃)下的体积流量,可按下式进行换算:
Q标=(293.15/101325)(P/T)Q实
式中,Q标为标准状况下的体积流量,m3/h;Q实为当时实际工况下的体积流量,m 3/h;P为当时管道中气体的实际绝对压力,若计量过程中压力有波动,则为管道中气体实际平均绝对压力,P a;T为当时管道中气体的实际绝对温度,若计量过程中温度有波动,则为管道中气体实际平均绝对温度,K。P=P表(当时压力计读出的气体平均表压)+P′(当时当地的大气压力)。
1.4 性能曲线
流量计具有容积式气体流量的典型误差曲线和压力损失曲线,如图3所示。
2 气体流量计运行故障分析
通过现场管道排查,压缩空气进入厂房后,压力约5.5~6kg/cm2,所用压缩空气经旁通管道供给,而安装气体流量计回路主管道未能得到应用。气体流量计前装有过滤阀,对气体过滤,但该气体流量计初安装时,由于缺少阀门技术资料和正确安装指导,把气体流量计安装倒置,积算表头显示盘朝下,磁性联轴器端同步齿轮箱体,成了储水的地方;齿轮、轴承等未得到合理维护,齿轮锈蚀严重、轴承卡死,转子无法转动;过滤阀内锈蚀、滤网粘附杂质,流量计空腔积渣堵塞,气流减小导致供气故障。
3 气体流量计的维修
3.1 流量计的拆卸
(1)气体流量计与管道脱离。气体流量计笨重,在管道上方挂倒链,使用吊装带固定流量计,拆卸联接螺栓。用撬杠使之与管道法兰分离,并逐步降倒链,卸下流量计。
(2)积算表头拆卸。将流量计平放到安全位置,松开表头盖底边周围固定螺丝,用起子轻轻撬起一边,双手转动表头并提起,注意保护好计量铜齿轮。
(3)齿轮箱体、磁性联轴器及同步齿轮拆卸。松开一侧箱体周围螺栓,取下箱盖,保护好密封圈,松锈液清洗螺母、同步齿轮。松开圆螺母,取下止动垫圈,拆卸搅油板、同步齿轮。翻转壳体,拆卸另一端同步齿轮,注意保护好磁性联轴器和铜齿轮等。
(4)轴承、轴承座拆卸。松开轴承紧定螺钉一端轴承座固定螺钉,轻敲端盖使挡圈脱离,取出轴承,拔开轴承座。翻转流量计腔体,拆另一端。
(5)取出共轭转子。
(6)拆卸时注意将各零件保养维护,并作好安装标记,必要时进行测绘。
3.2 备件的清理与维护
(1)齿轮的清理与维护。由于长期锈蚀,齿面污迹较多,刷洗清除异物时要保护好齿形,并涂油维护。
(2)轴承的清洗与润滑。清洗除锈使滚珠转动灵活,涂润滑脂备用,必要时更换,并将各挡圈除锈,表面清理干净。
(3)共轭转子的清理。将转子锈迹清除,污垢刷去,使楞边圆度恢复,同时可适当修磨圆角,使柱面整齐。清理端面杂物,保持转子间的相对位置间隙,能大大改善密封性。
(4)清理腔体表面和内部污迹、杂质及垢体,保证转子运转空间无毛刺、杂物。
(5)积算表头铜齿轮减速机构维护及磁性密封联轴器装置维护。清理表面污物,保证表头显示轮系的正常运转。
(6)其它零件。用煤油清洗干净,清除表面污迹,恢复性能或准备替代品。
3.3 流量计的组装
(1)转子的安装。按照标定的方位,组装共轭转子,调整转子轴向位置,使端面平齐,否则进行修整,保证端面干净整齐。
(2)轴承座、轴承的安装。保证转子与端面的空隙,将轴承座固定到腔体上,装入轴承固定,从进气侧用手拨动转子,检查转子运转情况,同时转子与腔体间隙适中。若出现磕碰须进一步调整,适当加大空隙,必要时在轴承座下加装垫片(应考虑到齿轮箱体安装时为了满足密封性要求,螺栓预紧力对轴承座位置有较大的影响)。
(3)同步齿轮的安装。两侧的同步齿轮组对安装,加装搅油板用于同步齿轮润滑,用圆螺母锁紧止退垫圈,用手拨动转子,检查转子运转情况。
(4)齿轮箱体的安装。将阀体平放,装橡胶密封圈,把一端齿轮箱盖扣在阀体相应位置,穿连接螺栓预紧,随后按受压容器要求,先按相对位置拧紧螺栓,最后按一定顺序紧固螺栓。用手拨动转子,需运转灵活、无卡阻。翻转阀体安装另一端,并安装磁性联轴器、计量铜齿轮并检查转子运转情况。
(5)安装表头。将积算表头的齿轮转至与磁性联轴器铜齿轮对应位置,并将联轴器提起半齿宽高度将齿轮啮合,扣上表头并拧紧表头紧定螺钉,检查转子转动情况和表头示数情况。
(6)经调试计量计运转良好,加入润滑油,在安装位置的壳体下部设置旋塞阀备用。
4 整体安装注意事项
(1)流量计应正确安装,合理使用,以免影响正常运行和计量精度。
(2)安装流量计前用汽油或煤油将表面所涂的防锈油洗干净,并清除管道杂质。流量计前端安装过滤器,以防止铁锈、焊渣等杂质进入计量室,卡死轮造成停转。
(3)流量计安装时保持转子轴向水平,无论进出口为垂直或水平,表头处于水平位置。
(4)当气体压力波动范围较大时,为保证计量精度,流量计应安装调压器。
(5)安装流量计时应设置前后阀门和旁通管路,以保证维修保养时,不必停气。安彩高科股份有限公司流量计安装管路系统图如图4所示,进出口方向为左进右出。但根据设备厂家推荐应首选上进下出的安装形式。
(6)流量计安装管路配管和管件尺寸必须适当,不得使流量计本体受不正常的外力。
(7)流量计运行前,从注油口注入润滑油至油标刻线,根据运行情况定期添加或换油时必须关闭流量计前后阀门,泄放流量计内气体压力。
(8)流量计投运时,所有阀门应缓慢开闭,防止突然冲转,尤其在管道打压、测试管道及计量表泄漏时,严禁突然放气,冲坏表内齿轮。
(9)流量计投运一段时间后如发现过滤器压降增高,应清洗过滤器或更换过滤介质,如发现流量计压降升高,严禁突然放气,以免冲坏表内齿轮。
(10)流量计长期停用时,应将润滑油放空,将计量室用汽油冲洗干净后,涂防锈油并封住进出口,置于干燥处。
(11)表安装最低距地面0.5~1.5m,并与墙保持一定距离以便维修。
5 维修后使用情况
安装使用后运行正常,并对流量计读数作了记录,表1是部分统计数据。
气体流量标准装置比对实验结果分析 篇6
1 测量方法
负压法临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置作为标准表, 将气体涡轮流量计串联到检表管线中, 在0.7qmax～qmax下运行30min以上, 进入比对实验, 按比对实施细则设置流量点, 在工况状态下, 由装置自动记录流过气体涡轮流量计的气体流量、温度、压力和流量计发出的脉冲数, 依据JJG 1037-2008 《涡轮流量计》国家计量检定规程, 并计算规定时间内流过气体涡轮流量计的气体体积和仪表系数。
2 数学模型和方差
根据比对实施细则公式 (3) 和JJG 1037-2008 《涡轮流量计》中的公式 (1) , 比对传递标准气体涡轮流量计的仪表系数为:
kv=N/Vs (1)
式中:kv——涡轮流量计的仪表系数;
N——涡轮流量计输出的脉冲数;
Vs——标准装置测得的修正到比对表处的实际气体体积。
由式 (1) 可得仪表系数的相对方差和灵敏系数为:
uundefined=c2 (N) uundefined (N) +c2 (Vs) uundefined (Vs)
其中:相对灵敏系数c (N) =1, c (Vs) =-1。代入上式:
uundefined (kv) =uundefined (N) +uundefined (Vs) (2)
式中:urel (N) ——气体涡轮流量计重复测量的相对标准不确定度;
urel (Vs) ——标准装置测得实际气体体积的相对标准不确定度。
根据比对实施细则, 比对实验测得的实际气体体积为:
undefined
流经音速喷嘴的体积流量qv可按下式计算:
undefined
式中:qv——通过音速喷嘴在实际条件下的体积流量;
A*——音速喷嘴喉部的截面积;
Cd——音速喷嘴的流出系数;
C*——实际气体的临界流函数;
ps、Ts——喷嘴滞止压力、温度;
pm、Tm——气体涡轮流量计处压力、温度;
R——通用气体常数;
M——气体摩尔质量;
Z——空气压系数。
参考JJF 1240–2010 《临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置》附录C中的公式 (C.3) , 考虑到音速喷嘴的检定也是在空气介质下进行的, A*、C*、M及R的值相同, 可以将其视为常数, 因此其不确定度可忽略。再者因为空气的压缩系数Z的不确定度很小, 也可忽略, 因此只和喷嘴的流出系数Cd有关。所以该装置在比对实验中的不确定度和以下几项因素有关:Cd音速流喷嘴的流出系数;p0、T0喷嘴滞止压力、温度;p、T被检流量计处压力、温度;湿度和t计时器。由于相对灵敏系为:cr (Cd) =1;cr (ps) =1;cr (Ts) =-1/2;cr (pm) =-1;cr (Tm) =1;cr (RH) =1:cr (t) =1, JJF 1240中的公式 (C.3) 可简化为:
undefined
上式代入式 (2) 得比对实验仪表系数的相对合成方差为:
undefined
3 标准不确定度的计算
3.1 气体涡轮流量计重复测量的相对标准不确定度urel (N)
比对实验中, 重复测量气体涡轮流量计的脉冲数, 仪表系数的测量值及其重复性见比对实验原始记录。每个流量点的实验次数为6次, n=6, 仪表系数由平均值给出, 所以由贝塞尔公式示值不稳定引入的相对标准不确定度。
在流量为600m3/h点上, 测量值 (L/m3) 为9321.22、9316.51、9330.75、9329.85、9334.10、9319.79, 则:
urel1 (N) =s1 (N) =0.02%
在流量为300m3/h点上, 测量值 (L/m3) 为9318.80、9314.85、9322.65、9318.96、9322.05、9309.45, 则:
urel2 (N) =s2 (N) =0.03%
3.2 音速喷嘴流出系数Cd引入的相对标准不确定度urel (Cd)
根据检定证书, 音速喷嘴流出系数准确度Ec=±0.15%, k1=2, 其最大允许误差的模a1=0.15%, 则音速喷嘴流出系数Cd引入的相对标准不确定度为:
undefined
3.3 喷嘴前滞止压力测量引入的相对标准不确定度urel (ps)
本装置喷嘴前滞止压力测量使用绝压变送器, 经检定, 检定结论为0.2级, 即最大允许误差的模为a2=0.2%, 且为矩形分布, undefined, 则喷嘴前滞止压力测量引入的相对标准不确定度为:
undefined
3.4 喷嘴前滞止温度测量引入的相对标准不确定度urel (Ts)
本装置使用温度变送器最大允许误差为±0.5%, 量程为0～50℃, 最大允许误差的模为a3=50℃×0.5%=0.25℃, 且为矩形分布, undefined。负压法音速喷嘴流量标准装置采用的温度是在测量值加273.15得到的绝对温度。则喷嘴前滞止温度测量引入的相对标准不确定度为:
undefined
3.5 被检流量计处压力测量引入的相对标准不确定度urel (pm)
与3.3相同:
urel (pm) =0.116%
3.6 被检流量计处温度测量引入的相对标准不确定度urel (Tm)
与3.4相同:
urel (Tm) =0.049%
3.7 湿度修正引入的相对标准不确定度urel (RH)
标准装置在检定过程中空气的相对湿度变化在±10%内, 按JJG 620-2008附录D或JJF1240-2010附录B进行湿度修正时, 其修正值之差在±0.1%内, 为均匀分布, 即a5=0.1%, 且为矩形分布, undefined, 则湿度修正引入的相对标准不确定度为:
undefined。
3.8 计时器测量时间引入的相对标准不确定度urel (t)
标准装置计时器时间间隔的准确度取决于其晶振 (32768Hz) , 其最大允许误差为±5×10-5, 即最大允许误差的模为a6=0.005%, 且为矩形分布, undefined, 则计时器测量时间引入的相对标准不确定度为:
undefined
4 相对合成标准不确定度
将urel (N) 、urel (Cd) 、urel (ps) 、urel (Ts) 、urel (pm) 、urel (Tm) 和urel (t) 代入式 (5) , 计算各流量点合成相对标准不确定度:
ucrel1=0.198%
ucrel2=0.200%
5 扩展不确定度
取包含因子k=2, 则各流量点相对扩展不确定度为:
Urel1=kucrel1=2×0.198%=0.40%
Urel2=kucrel2=2×0.200%=0.40%
即比对实验中仪表系数的测量结果分别为:9325.4 (m3) -1和9317.8 (m3) -1, 其相对扩展不确定度均为0.40%, k=2。
6 结论
国家质监总局比对报告给出比对的参考值分别为9300.15 (m3) -1和9298.81 (m3) -1, 甘肃省计量研究院实验结果的等效度分别为0.27%和0.20%, 归一化偏差En分别为0.65和0.56, 即En的绝对值小于1, 比对结果为满意。说明甘肃省计量研究院在气体流量标准装置、人员和技术管理等方面满足国家计量法规要求。
参考文献
[1]JJF1240-2010, 临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置[S].北京:中国计量出版社, 2011.
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基于气体压力探针的流量测量研究 篇7
流量测量作为工业发展的重要组成部分, 涉及能源、环保、国防、科研等各个领域, 与国民经济发展息息相关。在火力发电厂中, 锅炉的制粉系统、燃烧系统、风烟系统都离不开流量测量的实时监控, 准确的流量测量对节约资源和环境保护具有重要意义。
差压式流量计在火电厂中应用广泛, 但差压流量计测量气固两相流或浑浊流体的测时, 检测元件与显示仪表之间的引压管部分易产生泄露、堵塞、磨损测量元件等故障。
为克服上述测量元件的测量缺陷, 国内外学者进行了大量研究。其研究方向主要分为三大类:a) 采用传统的差压式流量计作为基础元件, 在此基础上进行优化改进[1,2,3];b) 采用现代先进技术, 如利用电磁、超声、激光和辐射等技术的性质来测量流体流量[4,5,6];c) 以计算机为技术平台, 运用数值计算方法, 模拟管道和测量元件内流动情况, 对现实中测量元件的构造和管道的布局进行指导改进[7,8]。
本文是在前人研究的基础上, 提出了一种基于文丘里管的气体压力探针的测量方法, 对气体探针的研究主要是利用FLUENT对气体压力探针进流场进行模拟, 得到该流场的压力、速度场分布, 并根据模拟结果计算流体流量。这样的改进既可有效消除管道堵塞核对测量元件的磨损等问题, 也为在复杂环境中流量测量提供新思路。
1设计原理
本文是利用经典文丘里管为基础测量元件, 然后在经典文丘里管的基础上进行改进。经典文丘里管是由入口圆筒段A、圆锥收缩段B、喉部C、圆锥形扩散段E和出口圆筒段F组成, 经典文丘里管的结构如图1所示。
经典文丘里管的压力测量是在入口圆筒段A和圆筒形喉部C处直接用压力测量仪表测量两处的压差。改进后的文丘里管如图2所示, 在入口圆筒段A和圆筒形喉部C处加上引管, 测压仪表装在引管上, 测量引管处的压力。气体压力探针原理是当用改进后的文丘里管的测量流体时, 在引管内加入一定流速的空气, 然后测得A和C引管处的压差, 最后转化成文丘里管入口圆筒段A和圆筒形喉部C截面压力。图2中, H1和H2为文丘里管的引管;V1为引管进口速度, m/s;V2为主管道进口流速, m/s。
文丘里管压力损失最低, 有较高的测量准确度, 对流体中的悬浮物不敏感, 可用于污脏流体介质的流量测量, 在大管径流量测量方面应用比较多。改进后的文丘里管的适用性大大增强, 能很好地测量悬浮物或污脏流体。把测压仪表装在引管上, 并在引管中注入微小流速的空气, 在不对主流场有很大干扰的同时又能很好地解决因测量元件造成的管道堵塞和磨损测量元件等问题。
2物理模型
在模拟中, 采用经典文丘里管的几何结构形状, 表1是经典文丘里管本体三维模型的尺寸数据, 主要包括入口圆筒段的长度La和直径Da、圆锥收缩段的长度Lb、喉部长度Lc和直径Dc、圆锥形扩散段长度Le、出口圆筒段长度Lf。在经典文丘里管中收缩段夹角为21°±1°, 扩散段E的扩散角为7°~8°喉部直径与入口圆段直径的管径比β的取值范围是[0.4, 0.7], 文章中所采用的直径比和试验台上的文丘里管的直径比相同, 为β=0.618, 为准确测量喉部压力, 喉部C的长度Lc应等于Dc±0.03Dc, 在数值计算中, 采用喉部直径等于其长度。这样的结构是流体能量损失最少的。
3流量测量原理
经典文丘里管的工作测流原理是基于节流效应, 流体流过文丘里管, 入口和喉部将产生一定的静压差。在管道安装条件, 流体参数一定的情况下, 静压差ΔP与流量qv之间具有确定的函数关系。因此, 可通过测量文丘里管入口处和喉部的压差来测量流量。
假设流体为定常流, 不可压缩流体, 质量力只有重力, 流体连续流动。根据连续性方程和伯努利方程推导出差压与流量之间的关系而求得流量, 其基本公式如式 (1) 、式 (2) 所示:
式 (1) ~式 (2) 中, qm为质量流量, kg/s;qv为体积流量, m3/s;C为流出系数;β为喉部直径与主管道直径的管径比;ε为可膨胀系数, 不可压缩流体=1;A0为喉部截面积, m2;ρ为密度, kg/m3;Δp为文丘里管入口和喉部压差, Pa。
式 (1) 、式 (2) 是以文丘里管主管道压差来求流量, 本文研究的内容是用引管处的压差代替主管道的压差, 来求得流体流量, 即用Δp'代替Δp, 改进后的公式为:
式 (3) ~式 (4) 中, qm'为改进后的文丘里管测得质量流量值, kg/s;qv'为改进后的文丘里管测得体积流量值, m3/s;Δp'为改进后的文丘里管测得压差, Pa。
4数值模拟及结果
4.1模型描述及网格划分
文中的物理模型是采用GAMBIT软件进行建模, 采用的几何模型为三维文丘里管, 在模拟中, 三维模型比二维模型更接近实际, 能更全面展示内部流体的流动情况。图3所示是画好网格的三维模型, 采用Tet/Hybrid网格划分方法, 在引管和扩散段也分别相应地进行网格加密, 加密后的网格数量总量为3 116 970个。
4.2控制方程及边界条件
本文测量的介质为室温空气, 流体分别从主管道和引管流入, 主管道流速取值在1 m/s~35 m/s内变化, 引管流速取值为1 m/s~20 m/s内变化。气体与壁面无滑移, 在壁面处取法向速度等于0 m/s。出口处压力为大气压。
控制方程采用三维稳态不可压缩的连续方程、动量方程。在本文计算中不涉及传热及导热问题, 故不包括能量方程。采用标准k-ε方程, SIMPLE算法耦合速度和压力, 对流项和扩散项采用一阶迎风差分格式。4.3结果分析
4.3.1在管径一定情况下引管流速对测量流量的影响
在流场分析中, 本节采用入口段直径Da为100 mm, 喉部长度直径Dc为61.8 mm, 引管直径Dh为10 mm的文丘里管作为分析对象, 通过改变主管道入口速度V2值的大小和2个引管入口速度V1值的大小来分析气体压力探针的性质和对流量测量的影响。
在该工况中, 主管道入口速度V2=10 m/s, 引管速度V1=1 m/s~20 m/s, 图4是仿真结果的压力云图和速度矢量图, 在该图中, 由于三维模拟结果显示中不能很好地表达出流场内部的流动情况, 故采用纵截面来显示结果。
由图4可看出, 在主管入口速度V2=10 m/s为定值时, 随着引管入口速度V1的增加, 引管H1和引管H2的压力值越来越大, 其压差也在增大;引管对应的主管道压力随着引管流速的增大压力值变化不明显, 喉部压力值随着引管的流速变化明显, 即随着引管流速的增大喉部管道的压力平均值在不断减小。在速度矢量图中可看出, 引管H1对主管道流体流场的影响不大, 当引管H1中流体流速V1>10 m/s时, 对主管道流场产生了干扰;由于喉部流速比较大, 当引管H2的流体进入喉部时, 对喉部流体产生了剧烈扰动, 随着引管内流体流速增加, 扰动越来越剧烈。
在本节研究中, 计算流体流量采用体积流量公式, 根据公式 (4) 用气体压力探针测得压差计算流体流量值如图5所示。由于知道主管道入口速度和直径, 可计算出理论流量qv理论为0.079 m3/s, 对其误差进行分析。从曲线中可看出, 气体压力探针测得流量误差值随着流速的增加误差值先减小后增大, 当引管内流速达到14m/s时, 误差值达到最大, 引管内流速为2 m/s时, 误差值最小, 当引管内流速小于5 m/s时, 引管测得流量误差在10%以内。
4.3.2主管道入口流速的变化对流量测量的影响
在入口段直径Da为100 mm, 喉部长度直径Dc为61.8mm, 引管直径Dh为10 mm的模型中, 除了主管流速V2=10 m/s外, 还进行了15 m/s、20 m/s、23 m/s、27m/s、31 m/s、34 m/s的速度模拟, 这些流场的压力和速度云图和10 m/s流场的云图规律相似, 由于篇幅关系这里不再对其流场的压力云图和速度云图进行描述。下面直接介绍这些速度条件下的流量值和误差分析。
图6是关于引管压差测得流量与理论流量误差曲线, 由图可看出, 引管流速V1=1 m/s~8 m/s时, 误差范围0%~10%, 在引管流速V1=5 m/s附近时, 所有曲线的误差取值都接近最小值。
4.3.3不同管径对测量的影响
在分析入口段直径Da为100 mm的流场后, 发现在引管流速为5 m/s时, 误差值接近最下, 在对其它管径进行模拟分析时, 采用引管进口为5 m/s来探究其它管径的误差值。图7是其它管径的误差值, 由图可看出随着主管道直径增加, 误差值在上下波动, 在主管道直径Da为50 mm、100 mm、200 mm和400 mm中, 直径为100 mm时, 误差值最小为0.16%。
5结语
a) 在定管径中, 随着引管内流速增大, 气体压力探针对主流场干扰越来越大, 两引管差压制也越来越大;b) 在定管径中, 随着主管道进口流速的增大, 气体压力探针测得流量误差平均值在减小, 最小误差在随着主管流速的增大, 在向右平移。当引管流速V1=1 m/s~8 m/s时, 误差范围0%~10%, 在引管流速V1=5 m/s附近时, 所有曲线的误差取值都接近最小值;c) 在不同管径中, 当引管流速为5 m/s时, 主管道直径为100 mm的气体压力探针测得流量值误差最小, 其值为0.16%。
参考文献
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气体流量计的远程校准技术探析 篇8
当前, 信息技术特别是计算机网络技术正在日益渗透到各行各业, 引发出各种新的行为和思维。网络会议、远程教育、远程医疗、电子商务等基于网络技术的新事物在资源共享、优势互补、缩短时空距离等方面发挥了巨大的作用, 其发展势头有增无减。传统的计量测试技术也没有置身其外。在适用于实验室内的各种并行总线和适用于部门范围内的各种现场总线尚在大力发展的同时, 又出现了一种新的趋势:即跨企业、跨地域的所谓“远程校准”。
远程校准所指的首先仍然是一种校准过程, 即以获取被校传感器或被校测量仪器的计量特性为目的而进行的一组操作。这一过程仍然离不开传统校准的几个要素:高等级计量标准、被校仪器、校准规程或校准规范、数据采集与数据处理 (含不确定度分析) 。高等级计量标准与被校仪器通常情况下仍然同处一地, 互相直接连接。与传统的校准的主要不同点在于:校准除了可以由位于计量标准和被校仪器所在现场的人员进行就地操作外, 还可以借助计算机网络传输技术由位于其它地方的有关人员进行实时、异地、远程操作。远程操作按授权不同可以包括校准参数的设定、现场传感器信号的获取、数据处理以及不确定度分析等。对远程校准还有一种更为大胆的设想, 即高等级计量标准和被校仪器位于不同的地方, 通过网络传输技术就可实现量值溯源或传递。但这一设想目前还不现实。
2气体流量计的远程校准技术
美国每天消耗价值约为22亿美元的天然气。这些天然气从气井到工业或民间的用户一般须经过5到7次气体流量计的计量。为了交易的公平, 必须对使用的气体流量计进行定期的校准。目前, 位于华盛顿的NIST流量组对气体流量计可提供的校准服务的流量上限为5100m3/h, 校准的扩展不确定度不大于示值的0.2%, 而美国工业界实际使用的气体流量上限达6000000m3/h。这就是说, NIST现有标准与需求相比尚差1000多倍。如果再考虑到气体的种类和压力范围, NIST的现有标准就相差更远。由于受建筑面积、设备投资等的限制, 在可以预见的将来, NIST也没有可能在其本部所在地建造可以覆盖所有量程、气种和压力范围的气体流量标准。与此同时, 位于美国科罗拉多州努恩的科罗拉多工程实验室 (CEESI) 已经具有一套量程为16200m3/h的气体流量标准。该标准在CEESI内部被称为“A基准”。该标准中, 被校气体流量计的上游是口径大小按8421排列、相互并联的音速喷嘴组合, 被校气体流量计的下游则是基于PVT法的流量收集与测定装置。据CEESI报告, 用该标准进行校准的扩展不确定度不大于示值的0.14%。这一不确定度居然比NIST最大气体流量标准的不确定度还要小, 对此, NIST流量组是颇有看法的。但不管怎么说, 该装置的量程是NIST现有最大装置量程的3倍。不仅如此, CEESI在科州埃沃瓦兴建中的另一套校准设备其量程将高达2580000m3/h。该设备一旦建成, 据称将是世界最大的, 其校准能力达NIST现有标准的500倍。
NIST第一步计划通过远程校准技术首先将CEESI现有的、位于努恩的最大流量标准, 即所谓的“A基准” (量程为16200m3/h) , 纳入美国国家级校准体系。在成功的基础上, 下一步再将CEESI在埃沃瓦兴建中的、量程为2580000m3/h的流量标准用同样的方法纳入NIST的校准体系。从技术路线看, NIST并不拆除CEESI的“A基准”现有的数据采集和数据处理设备。而是与设备上现有的压力、温度、时间等传感器相并列, 再安装一套 (冗余的) 属NIST所有、归CEESI长期借用的同类传感器。这套新装的传感器将定期地溯源至NIST相应的最高标准。新旧两套传感器一起接至以令牌环方式工作的现场数据采集系统, 然后连至CEESI的T1端子。而该T1端子又可连至离CEESI约35英里的高速广域网结点。NIST认为, 除了对数据和控制信息的远程传输外, 对设备的运行情况进行实时的声像监视也非常重要。异地的操作者应该能实时观察到设备的运行, 与现场操作者对话, 同时按需要读取数据, 或改变设备的参数设置。
要实现流量计远程校准的另一个关键因素是必须确切知道进入被校流量计的流体的速度剖面。因为大多数流量计的计量特性将因速度剖面的不同而改变。光靠信息传输与控制系统显然无法解决这一问题。为此, NIST与得克萨斯州的DANIEL公司合作, 正在开发一种可以测量流体速度剖面的多声道超声波流量计。这一超声波流量计将被安装在被校流量计的上游。它一方面可以测量进入被校流量计的速度剖面, 从而为评估流量实验段的品质提供参考, 为研究下游被校流量计在不同速度剖面情况下的计量特性提供依据;另一方面, 通过对速度分布的面积分, 同时也就准确地测出了流过被校流量计的体积流率, 从而为被校流量计的测量不确定度分析提供了某种基准值。这种超声波流量计具有11对以上的声道, 利用时差法分别测量速度剖面上不同部位的流速。其中有4对以上的声道测量管道截面中X轴上不同部位的速度分布 (轴向速度) , 同时有4对以上的声道测量管道截面中Y轴上不同部位的速度分布 (轴向速度) , 另有两对以上的声道测量管道截面中的可能存在的径向速度, 还有一对声道测量管道截面中可能存在的旋转速度。由于超声波探头输出的信号实际上仅仅反映了声音传输通道上的一种积分效应, 一般的做法是采用类似层面照相术的技术通过解积分方程得到整个剖面上的二维速度分布。这种算法耗时多, 速度慢, 并对噪声或干扰相当敏感。结果一方面将因耗时过多而无法实时跟踪速度剖面的变化, 另一方面十几个通道的信息还远远无法保证算法的收敛:经常是要么得不到任何结果, 要么得出的结果不唯一。为了解决这一问题, NIST的流量组拟采用一种半经验的模式识别算法。具体做法是:首先用类似信号处理中付立叶分析的方法, 将流体可能的速度分布 (主要指轴向速度的分布) 分解为若干种基本的速度分布的线性组合。这样, 算法就简化为依靠十几个通道的超声波探头信息, 根据最小二乘原理, 在预先建立的流体速度的可能分布表亦即数据库中查找出最有可能的那个速度分布, 或更准确地说, 查找出最有可能的那种速度分布的组合来。也可以将这种算法理解为是一种映射或一种变换, 即把输入集 (超声波信息的各种组合) , 按某种预定的规则, 映射或变换到输出集 (流速分布的各种组合) 中去。由于这是一种开环的算法, 它有两个明显的优点: (1) 速度快。因为查找过程的耗时是很短的。它将足以实时跟踪速度剖面的任何变化。 (2) 算法永远收敛。因为终归可以找到某种速度分布, 它比其它速度分布相对而言更有可能一些, 即根据预定的规则其合成误差相对而言更小一些。至于流体速度的可能分布表或数据库, 可以用计算机仿真和经验估计相结合的方法来建立。映射算法则要根据超声波探头对的具体布置方案来产生, 并经某种实际的“训练”后才能最后优化确定。这里的所谓“训练”是指让映射算法首先能从已知的输入得出已知的输出, 然后逐步能从未知的输入得出合理的输出的算法优化过程。NIST认为, 用这样的软硬件结合的方法制造出来的多声道超声波流量计事实上是一种“便携式基准”。因为它不再会因速度剖面的不同而影响测量不确定度。
远程校准在促进计量的发展, 降低校准成本, 扩大计量量程等方面的确带来了许多新的变化。
小结
远程校准决不只是一种时髦, 它确实是一个有意义的、在我国计量界具有广阔应用前景的研究方向。它代表了用IT技术改造传统计量行业的一种趋势。
责任编辑:孙卫国
摘要：远程校准是信息技术特别是计算机网络技术与传统的计量测试技术结合的必然产物。用软硬件结合的方法制造出来的多声道超声波流量计事实上是一种“便携式基准”。因为它不再会因速度剖面的不同而影响测量不确定度。
气体浮子流量计测量误差的实验研究 篇9
浮子流量计原理简单,应用面广,适用于中小流量测量。特别是金属管浮子流量计,工作可靠,是过程控制领域重要的流量仪表之一。按照行业标准[1]和检定规程[2],液体浮子流量计应在液体流量标准装置上进行检定(因被测介质通常为水,以下简称为水装置),气体浮子流量计应在气体流量标准装置(以下简称为气装置)上进行检定。水装置具有技术成熟、成本低、流量范围宽等优点,众多生产厂家、研究所和高校前期投入了大量的人力、物力进行建设。能否避免气装置的投入,在水装置上检定某个精度范围的气体浮子流量计呢?目前,未见到相关文献对上述问题进行论述,故本文采用实验方法对其进行研究。研究对象为一台口径50 mm、精度等级1.5级的气体金属锥管浮子流量计。在水流量标准装置上重新对其进行检定并刻度表盘后,分别对其在水流量标准装置和气体流量标准装置上的测量误差进行了实验研究。
2 计算公式
2.1 体积流量公式
如图1所示,浮子流量计的检测元件由锥管和沿锥管中心轴上下移动的浮子组成。
作用在浮子上的力主要有三个:压差力F1、浮力F2和重力W,F1和F2构成浮子所受的升力。被测流体自下而上流过浮子流量计时,若浮子所受升力等于W时,浮子便稳定在某一高度h。
在图1所示的浮子截面1-1′和2-2′处建立非粘性流体稳定流动时的总流伯努利方程:
式中:z1,z2——流体截面1-1′、2-2′对某一水平基准面的高度,m;ρ——流体密度,kg/m3;p1、p2——截面1-1′、2-2′ 处的压强,N /m2;u1、u2——非粘性流体在截面1-1′、2-2′处的平均流速,m/s。
因z1≈z2,由式(1),截面1-1′和 2-2′间的压差
故浮子所受的压差力F1为:
式中:A1——截面1-1′处的流通面积,m2;A2——截面2-2′处的流通面积,m2;Af——浮子迎流面积,m2;α——面积系数,无量纲量,
浮子所受的浮力F2为:
F2=Vfρg
浮子自重W为:
W=Vfρfg
式中:Vf——浮子体积,m3;ρf——浮子密度,kg/m3。
浮子在流体中处于平衡时,W =F1+F2,即
则浮子流量计的体积流量公式为:
式中:qv——浮子流量计的体积流量,m3/h;Df——浮子的最大直径,m;φ——锥管的锥半角,°。
2.2 刻度换算公式
在水装置上检定气体浮子流量计时,由于检定介质是水,被测介质是具有压缩性的空气,而表盘以标准状态下的空气流量进行刻度,由式(2)可得浮子流量计的刻度换算公式[3]为:
式中:qv——水的体积流量,m3/h;ρ——水的密度,kg/ m3;qv1——标准状态下空气的体积流量,m3/h;ρ1——标准状态下空气的密度,kg/ m3。
2.3 误差公式
本文中浮子流量计第i个实验点的误差ri的计算公式[1]为:
式中:qi——第i个实验点同行程n次测量中流量计示值流量的算术平均值,m3/h;qsi——第i个实验点同行程n次测量中流量标准装置测定流量的算术平均值,m3/h;qmax——流量测量范围上限值,m3/h。
3 实验装置
3.1 水装置
实验使用的水装置如图2所示,被测介质为水。该标准装置采用水塔稳压(32.5 m),流量范围连续可调,能够分别使用称重法和标准表法对流量计进行检定,称重法的精度为0.15%。本实验中,先用称重法对标准表进行检定,使其精度达到0.3%,然后用标准表法对浮子流量计进行实验研究。
3.2 气装置
实验使用正压法音速喷嘴气体流量标准装置,如图3所示,被测介质为空气。气源由两台标态排量均为198 m3/h 的空气压缩机提供,之后气体进入两个相并联的储气罐,储气罐容积均为13 m3。储气罐出口处安装稳压阀,以保证下游气体压力稳定在设定值。压缩后的空气经储气罐、稳压阀、进气阀进入实验管段,流过被检流量计后流入滞止容器,然后流过音速喷嘴,每个喷嘴下游皆安装气动阀门,由计算机控制各气动阀门的开关,空气流经喷嘴后由管道排向室外,管道末端装有消音器。该装置上共安装了11个音速喷嘴,其参数如表1所示。根据被检流量计的流量,选择数个音速喷嘴管路并联组合,可以满足被检流量计流量调节的需要。
注:1——进水阀;2——过滤罐;3——标准表;4——电动调节阀;5——平衡罐;6——排污阀;7——支撑板;8——金属浮子流量计;9——卡表器;10——流量调节阀;11——喷嘴;12——换向器;13——量器;14——放水阀;15——电子秤;16——控制柜;17——计算机
装置中实验段压力调节范围为0.1～0.5 MPa,由于空压机能力有限,在较高压力下实验时达不到所需流量,故空压机之后设置了两个储气罐,储气罐的压力最高可达到0.85 MPa。实验前打开空气压缩机,待储气罐压力达到上限值再开始实验,由于实验过程中储气罐压力不断下降,由稳压阀维持实验段压力稳定在某一定值。
4 水装置上的实验研究
4.1 实验方法
第一步,在图2所示的水装置上刻度气体浮子流量计。首先,包括上限值和下限值在内,均匀选择11个标况空气流量点,利用式(3)将这11个流量点的标况空气流量转换为标况水流量;然后,分别测量正、反行程下流量计指针在这11个流量点的旋转角度,对正、反行程角度取平均值后,根据平均值用绘图软件画出表盘,表盘的刻度值即为标况下的空气流量,测量范围为25～250 m3/h。
第二步,用标准表法对该流量计进行检定。在图2所示的水装置上,选定五个标况空气流量点,利用式(3)换算后,各流量点标准状态下空气流量和水流量的对应关系如表2所示,每个流量点正、反行程各检定五次,分别计算五个测量值在正、反行程下算术平均值qi,再参照式(3)将标准表的示值流量换算为标准状态下的空气流量qsi,然后根据式(4)计算误差ri。
4.2 实验数据
水装置上的实验数据如表3所示,其中标准流量即标准表的示值流量。
从表3可以看出,在水装置上检定时,气体浮子流量计的误差ri非常小,绝对值的最大值仅为0.37%。
5 气装置上的实验研究
5.1 实验方法
将水装置实验中的浮子流量计安装在图3所示的气装置上,实验开始前先打开空气压缩机。测量每个流量点时,待储气罐中的压力上升到0.85 MPa后,根据流量打开相应音速喷嘴下游的气动阀门,再手动调节气源下游的稳压阀,将实验段中的绝对压力调整到设定值;然后,当滞止容器中的温度、压力均稳定后,令计算机自动采集滞止容器和流量计处的温度、压力信号,然后利用这些数据将音速喷嘴处的空气流量转换为流量计处标准状态下的空气流量qv1,同时记录被检流量计的示值流量qi;最后,将qv1的平均值作为校准装置测定流量的算术平均值qsi,计算各流量点的误差ri。
5.2 实验数据
将实验段中各个流量点的绝对压力调整到0.25 MPa,如前所述的方法开始测量,每个流量点重复测量三次,单次测量时间为29 s,取平均值后,实验数据如表4所示。
5.3 实验数据分析
气装置上的检定误差大于水装置上的检定误差,分析其原因为:刻度该流量计的介质水的动力粘度大于被测介质空气的动力粘度,从而导致表盘上空气流量的刻度值偏大。
粘度是流体的一种属性,不同流体的粘度数值不同。对于一定形状的浮子,当被测介质的粘度发生变化时,同密度变化一样,将对流量计的测量产生影响,导致测量误差[3]。
在浮子流量计流量公式(2)的推导中,采用的是非粘性流体的伯努利方程,并没有考虑粘性的影响,由式(2)所得的刻度换算公式(3)自然也未考虑流体粘度的影响。而流量计中流过的实际流体为粘性流体,稳定流动时,截面1-1′和 2-2′上的总流伯努利方程为:
式中:hw——总流上单位质量流体的平均机械能损失。
由非粘性流体的总流伯努利方程,即式(1)与式(5)得:
式中:u′1——实际流体在截面1-1′处的平均流速,m/s;k——粘性系数,无量纲量,k > 1。
流体的动力粘度系数越大,能量损失hw越多,则k值越大。水的动力粘度是1.01×10-3,空气的动力粘度是1.783×10-5,水的动力粘度是空气的动力粘度的57倍左右。令k0为水的粘性系数,k1为空气的粘性系数,则k0 / k1 > 1。考虑粘度影响后,体积流量公式变为:
则刻度换算公式相应变为:
对比式(3)和式(7)可以看出,由于未考虑流体粘性的影响,用式(3)换算出来的表2中的水流量值偏小,从而导致表盘上空气流量的刻度值偏大,引入了系统误差。取k0=1,k1=1.02, 利用式(7)重新换算,修正后各流量点标准状态下空气流量和水流量的对应关系如表5所示。
5.4 二次实验验证
利用表5中的数据重新在水装置上刻度气体浮子流量计,画出表盘后,在0.25 MPa压力下对其进行二次检定,实验数据如表6所示。
从表6可以看出,修正后气体浮子流量计的精度大大提高,除了第一个流量点外,其他流量点的测量误差都小于1.5%。在实际使用时,常用流量点一般为流量计满量程输出的70%～80%,故引入粘性系数k后,可满足测量精度的要求。
6 结 论
在水装置上检定气体浮子流量计时,由于水与气体的动力粘度差别很大,忽略流体粘度的影响时,引入了较大的误差。为了保证浮子流量计的精度等级,气体浮子流量计必须在气装置上检定。若由于客观条件的限制只能在水装置上检定气体浮子流量计时,为了保证流量计的精度等级,应首先通过解析、实验等手段确定不同介质的粘性系数k,再用式(7)进行刻度换算。
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