液体流量标准装置

2024-09-19

液体流量标准装置（共6篇）

液体流量标准装置篇1

1 概述

(1) 测量依据:JJG 162-2000《液体流量标准装置检定规程》

(2) 测量环境条件:常温, 常湿

(3) 测量标准:标准金属量器

(4) 测量过程:根据检定规程, 其测量方法是选用适当量限的标准量器, 量取与被检工作量器受检刻度容积相对应的水注入被检工作量器, 工作量器检定点容积示值与工作量器检定容积实际值之差为工作量器容积示值误差。

2 数学模型

式中:ΔV——工作量器容积示值误差;

V——工作量器检定容积示值;

VB——标准量器名义容积值;

α1、α2、α3——分别是标尺、工作量器、标准量器的材料线膨胀系数;

Δt1、Δt2、Δt3——分别是标尺、工作量器、标准量器对参考温度20℃的偏差值;

βw——水的体膨胀系数;

Δtw——工作量器与标准量器的温度差值。

3 方差和传播系数

根据:uc2 (y) =∑[∂f∂xi]2u 2 (x i) , 得:

式中:

4 输入量的标准不确定度评定

4.1 被检工作量器测量读数引起的不确定度分量u (V)

4.1.1、被检工作量器测量重复性引起的不确定度分量u (V1)

工作量器的容积重复测量6次, 其最大值与最小值之差为:10L为0.005L;20L为0.01L;100L为0.05L;300L为0.15L, 用极差法计算测其不确定度分量u (V1) 为:

4.1.2、读工作量器标尺刻度值时的视觉误差引起的不确定度分量u (V 2)

读10L工作量器标尺时, 视觉误差为±0.001L;读20L工作量器标尺时, 视觉误差为±0.002L;读100L工作量器标尺时, 视觉误差为±0.01L;读300L工作量器标尺时, 视觉误差为±0.03L, 都在半宽的区间内均匀分布, 所以其不确定度为:

所以被检工作量器测量读数引起的不确定度分量u (V) 为:

按上述方法同理可得20L:u (V) =0.031%;

4.2 由标准量器引起的不确定度分量u (V B)

4.2.1、标准量器的不确定度u (V B1)

检定用10L和100L二等标准金属量器分别工作量器 (10L、20L、100L、300L) 进行标定, 二等标准金属量器扩展不确定度u=25.×10-4, k=;3因此标准不确定度为:

4.3 由标尺温度变化引起的不确定度分量u (Δt1)

在检定过程中, 标尺温度变化约为±0.1℃, 其在半宽0.1℃的区间内作均匀分布, 所以其不确定度为:

4.4 由工作量器温度变化引起的不确定度分量u (Δt2)

在检定过程中, 工作量器温度变化约为±0.1℃, 在半宽0.1℃的区间内作均匀分布, 所以其不确定度为:

4.5 由标准量器温度变化引起的不确定度分量u (Δt3)

在检定过程中, 标准量器温度变化约为±0.1℃, 其在半宽0.1℃的区间内作均匀分布, 所以其不确定度为:

4.6 由工作量器与标准量器温差引起的不确定度分量

u (Δtw)

在检定过程中, 标准量器与标准量器温度变化约为±0.1℃, 其在半宽0.1℃的区间内作均匀分布, 所以其不确定度为:

5 合成不确定度的评定

5.1 标准不确定度一览表

5.2 合成相对标准不确定度

合成相对标准不确定度为:

10L时:ucrel (ΔV) =0.032%;

20L时:ucrel (ΔV) =0.032%;

100L时:ucrel (ΔV) =0.032%;

300L时:ucrel (ΔV) =0.032%。

6 相对扩展不确定度Ur评定

7 测量不确定度报告与表示

液体流量标准装置各工作量器

8 校准测量能力

8.1 液体流量标准装置示值最佳测量能力

分析过程中已选用最佳测量重复性较好的液体流量标准装置进行连续测量, 控制过程较好, 因此可认为该相对标准不确定度既为最佳测量能力。

8.2 校准测量能力

Ur用k=2的扩展不确定度来表示

参考文献

[1]JJF1059-1999, 测量不确定度评定与表示[S].

[2]JJF1001-1998, 通用计量术语及定义[S].

武汉石化液体流量标定装置解析篇2

液体流量标定装置用于液体流量仪表的检测和标定。液体流量标定装置按计量器具分类, 分为静态质量法、容积法、体积管法和标准表法四种, 本文所介绍的武汉石化液体流量标定装置采用静态质量法和标准表法相结合的方式, 每条检定管线上配有0.1级标准表作为质量法检定时的瞬时流量指示。本套装置主要对科里奥利质量流量计进行标定。也可对涡街流量计、涡轮流量计、超声流量计、电磁流量计、液体容积式流量计、冷水水表进行标定。

1水流量标定装置简介

静态质量法液体流量标定装置主要由水池、变频离心泵、稳流器、消气器、截止阀、温度计、压力表、标准表、被检表、夹表器、调节阀、换向器、旁通器、称量容器、电子称组成。其结构和原理如图所示。

图中仅为液体流量标定装置其中一条管线, 我厂标定装置基本检定管线:DN15/10、DN25/20、DN50、DN80、DN150/100、DN200共计6条。流量检定范围为0.05~500m3/h。4个标准罐容积分别为:30L、300L、1500L和6m3。

泵是提升液体的设备, 按装置的流量范围1~500m3/h及计算的压力损失确定泵的流量和扬程。为了防止液体回流, 在管路上安装单向阀。

2武汉石化水流量标定装置控制系统实现

为了满足液体流量检定系统的各项要求, 检定系统采用PLC为处理核心, 工业计算机为人机交互接口的控制方式。现场的泵、阀门、流量、液位、温度、压力、电子称等信号通与PLC进行通讯, PLC通过RS232/485转换模块与工业级计算机进行通信。

2.1 控制系统数据信号处理

专用电源模块, 为PLC系统提供可靠、稳定的电源。CPU模块, 用于整个硬件系统的自动化控制和数据的初步处理。通讯模块, 使用标准通讯协议与上位机或工业网络通讯, 保证数据的准确性、时实性。高速计数模块, 用于对不同流量仪表的输出脉冲进行计数。14位A/D转换模拟量采集模块, 用于自动采集温度变送器、压力变送器信号和被检表输出的4~20m A等模拟信号。D/A调节量输出模块, 控制各种调节量。开关量输入/输出 (I/O) 模块, 用于输出各种开关变量, 控制开关阀及泵的启停。

2.2 检定系统实现功能

1) 控制功能。泵的启停、泵和标准流量计前、换向器后的阀门控制;被检表后调节阀开度;换向器的换向控制。

2) 数据信号采集功能。对装置的温度压力变送器和液位信号测量;采集装置的标准流量计信号;装置被检表流量信号测量, 包含4-20m A电流信号、0至10KHz脉冲信号、电压信号采集;电子称信号采集;阀位开关限位信号采集。

3) 数据处理功能。按照国家强制检定规程对检定结果进行检定数据处理和判定;系统可针对不同的被检表进行参数设置;检定点数、检定次数与检定时间设置灵活, 程序默认设置是按照国家检定规程选定的检定操作, 在遇到特殊情况或规程变更时, 也可由用户自由设置;系统记录检定过程中的数据, 提供实时趋势图显示功能。

4) 显示功能。系统流程图动态显示, 各参数状态实时变化;在系统中实现流量计检定程序及步骤的选择和设定、参数设置、数据计算、数据显示、自动打印符合国家检定规程和标准的仪表检定报告和证书。

2.3 水流量标定装置检定流程

首先启动仪表供电和变频器供电。装置开始工作后, 操作界面的温度压力等信号首先传入并动态显示。选择相应管线, 打通管线流程, 换向器打到排水方向。此时可以启动变频器打到工作频率, 泵开始工作, 水流开始在管线内流动。通过稳压罐和消气器的作用, 使水流逐渐稳定下来。调节阀和变频器同时调节水的流速, 使之达到检定点流量。

开始检定时, 换向器打到进罐方向, 同时计时器也开始计时, 脉冲检测器也开始计录脉冲数。当达到了预计时间是, 换向阀自动打到排水位置, 计时器和脉冲计数同时停止记录。记录容器内水的质量作为质量法比对结果。

3武汉石化流量标定系统上位机操作

3.1 选罐

检定前, 需要根据被检表参数选择容量罐。点击界面左上角“选罐建议”按钮会弹出选罐对话框。根据系统内储存的罐容表, 在检定流量值、检定时间和罐号三个变量里, 任意输入两个变量, 即可获得第三个变量的数据。例如途中检定流量选择50t/h, 时间选择72s, 根据计算系统建议罐号为3号标准罐, 同时给出开泵建议如图。

3.2 夹表

首先在现场操作夹表器, 将流量计安装在试验管路上, 保证无泄漏。控制系统中点击管线上“被检表”按钮弹出被检表参数输入对话框。依次输入仪表类型、信号种类、最大流量、最小流量、单位脉冲对应流量值完成夹表操作。夹表操作完成后, 现场备件表前后阀门自动开启, 整个检定回路联通。

3.3 检定参数设置

开始检定前, 需要首先设置检定流程。点击界面左上角“检定参数设置”按钮弹出对话框。本套装置实用水作为标定介质, 介质密度一栏输入水的密度998kg/m3随后按照流量计检定规程设置相应的检定点数和检定次数, 系统根据上一步设置的最大最小流量与检定规程自动给出相应流量检定点以及检定时间。对于在特殊流量段有检定要求的流量计, 可以手动设置检定点和检定时间。

3.4 检定结果输出

检定结束后, 控制系统自动输出原始检定记录报表。在原始记录中, 测量时间、称重质量、压力、温度以及脉冲数为直接测量值, 其余部分均为计算值。示值误差为重要检定结果, 直观反应了质量流量计计量数据与真实数据的差量。对于贸易质量流量计, 要求示值误差了正负0.2%以内。

4实际使用过程中存在的问题

4.1 部分型号质量流量计的频率信号无法接收, 且无法识别无源信号

信号接收问题是由于PLC的先天不足造成的。该套标定装置采用的PLC为罗克韦尔自动化公司旗下A-B公司生产的SLC500型小型PLC。04年新建时脉冲计数模组的脉冲幅值和占空比未提供选择, 也不能向外部提供供电。所以目前部分流量计的脉冲信号检测不到。需要测量无源信号时必须在回路中增加外部供电设备。

整改措施:PLC更换, 增加高速脉冲计数通道数 (同时2路) 。增加系统接受被检表信号的能力:接受脉冲信号幅值、占空比可选择 (最高频率可至10k Hz) , 提供将 (4~20) m A信号转换为标准脉冲频率信号设备 (转换精度0.01%)

4.2 稳压罐压力、换向器尾杆位置信号、地下水池液位、标准表脉冲信号等未接入系统

整改措施:将稳压罐压力、换向器尾杆位置信号、地下水池液位、标准表脉冲信号等接入系统, 增加地下水池液位显示、称重容器液位报警等功能。

4.3 大容器放水速度慢, 拖慢检定效率

测试发现大容器放水时, 水流在罐内形成漩涡, 降低了排水时间。

整改措施:最大标准罐 (6m3) 下排水口原为DN150口径, 加粗为DN250口径。改造前测算DN250口径排水口改造后增加的重量, 与最大使用量这和是否超过电子称6t的最大量程。

4.4 现装置晶振 (时间计量) 未纳入检定。换向器换出、换入时间测试需增相应设备和软件功能

现用PLC的晶振时钟只能精确到毫秒级, 不满足检定规程0.5微秒的要求。换向器动作时会产生延迟 (换向时间) , 换向时间应足够短, 国家规定小于0.2s, 换向器正反行程差应小与0.02s。现装置未进行换向时间计量, 对测量结果有影响。

整改措施:增加外部时间计量单元, 换向器换出、换入时间差检定、系统晶振 (时间) 检定, 将时间计量引入质量法检定、对比法检定同步控制。

5结论

武汉石化这套流量标定装置于05年建成, 至今已正常使用9年。在满足对不同类型流量计进行检定的前提下, 该装置突出了不确定度低 (优于0.05%) 、范围度宽 (DN10~DN200) 、自动化程度高等特点。该装置设计指标符合国家液体流量标定装置标准, 并取得湖北省质量技术监督局检定资质授权, 完成流量计检定任务的同时, 也为公司节约了大笔资金。随着流量计的更新和检定标准的提高, 这套流量标定装置也将进行升级改造, 不断适应变化的需求。

参考文献

[1]郭宗仁.可编程控制器及其通信网络技术[M].北京:人民邮电出版社, 2008

[2]肖汉卿, 王池, 孔庆彦等.JJG 667-1997液体容积式流量计检定规程[M].中国计量出版社, 2004.

标准表法气体流量标准装置的研制篇3

标准装置按计量器具可分为称量法、容积法和标准表法。其中,标准表法流量标准装置是传递标准装置。它利用流体力学连续性原理,将标准表和被检表串联,由标准表和相关参数测量仪表给出标准流量,与被检表输出的流量比较,确定被检表的技术指标。与其它方法的流量标准装置相比具有结构简单、工作效率高、操作方便、投资少和建设周期短的优点,特别是可以给出更宽的流量范围。

相对于液体流量测量,我国气体流量测量还有很多问题需要解决。流量标准装置,尤其是气体流量标准装置的研究、建立和应用是流量计量和测试技术发展的主要环节,应该引起普遍重视[1]。

标准表法流量标准装置结构简单、投资少、建设周期短,特别适合于中小型仪表生产厂家对仪表的检定。为了对不同口径、不同原理的气体流量计进行检定、性能测试,本文设计了标准表法气体流量标准装置并对管道压力损失进行了分析计算,对风机选型进行了分析,对装置整体不确定度分配进行了计算,并确定了标准表、温度传感器和压力传感器的选择方案,给出了对装置进行流量稳定性测试及仪表检定实验的结果。

2 装置结构设计与分析

2.1 标准表法流量标准装置的原理

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,如图1(a)所示,也可以由多台标准表并联组成,如图1(b)所示。

其主要工作原理:以标准流量计(可以是速度式流量计、容积式流量计、临界流流量计、质量流量计和热能表等)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[2]。

2.2 标准表法气体流量标准装置结构设计

装置设计要求:①能够对DN15、DN25、DN40、DN50、DN65、DN80、DN100、DN125、DN150、DN200口径的气体流量计进行检定;②除DN200口径管道外,其它各种口径的最大流速均达到42 m/s;③装置整体标准不确定度在0.5%以内;④流量稳定性达到1.5%。

根据上述要求,设计装置的整体结构如图2所示。装置包含DN25、DN40、DN50、DN80、DN100、DN150、DN200共七条主实验管道。DN15、DN65、DN125三条管道通过分别在DN25、DN80和DN150管道中加入套管进行实现。其中DN80～DN200的四条管道由离心风机提供气源,DN25～DN50的三条管道由罗茨风机提供气源。装置采用如图(1)a所示的由单台标准表作为每条实验管道标准表的形式进行设计。装置以单台标准表作为每条实验管道的标准表,它有结构简单、管路压损小、管道风量稳定、仪表检定效率高的优点。避免了以并联标准表为每条实验管道的标准表时,装置必须加两个大的汇流管,结构复杂,风机容易出现性能不稳,甚至喘震及管路振动的问题。为了保证装置流量稳定性,管道入口处直接接大气,风机在管网末端采用吸气方式,使空气从管道入口流经被检表和标准表,这样由大气在管道入口处作为无限大气源,气源稳定,从而保证装置流量稳定性。

装置工作原理是:根据被检仪表口径选择相应实验管道,通过系统测控计算机对风机变频器进行设置,从而将管道中的流量调至检定点流量值;在被检流量计检定规程规定的一次测量时间内,计算机同时采集被检表和标准表输出的流量信号,并分别利用温度、压力值对流量进行修正得到相应的标况流量,再与标准表测量的流量值进行比较,得到被检表指示流量值的误差及仪表系数;通过多次测量得到被检仪表的重复性及线性度误差。

限于篇幅以下重点对装置管网压损、风机选型进行分析。

2.3 装置管网压损分析

按照狭义的管网特性[3,4,5](即不计其工作场所的工作压力)管网的总损失为[4]:

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式中:R——管网总压损,Pa;Rm——单位长度上的摩擦阻力,Pa/m;L——各直管段的长度,m;Rz——局部阻力损失,Pa;ρj——通风系统排气口的气体密度,kg/m3。

Rm是由气体微团与管壁摩擦引起的摩擦损失或摩擦阻力,在圆形管道中,其计算公式如下[4]:

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式中:λ——摩擦阻力系数,Ns2/m4;D——圆管直径,m;ρ——气体的密度,kg/m3,空气取为1.2 kg/m3;ν——管道中气流速度,m/s。

以DN100管道为例,其直管段长度共5.5 m,采用碳钢管道,查表可得其摩擦阻力系数为0.022[4],则:

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Rz是气流经过某些局部管段产生涡流引起的局部损失或局部阻力,计算公式如下[3]:

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式中:ξ——管件局部阻力损失系数。

以标准表涡街流量计为例,其局部阻力损失系数ξ为2.2[3],则:

undefinedPa (5)

管网中各部件静阻力的大小与其阻力系数成正比,与其所通过的气流平均速度的平方成正比[3,4]。而气流平均速度又是由风量和流通面积所决定的。因此,对于认为介质是不可压缩的通风系统而言,上式可写成[4]:

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式中:qν——风量;K——管网特性系数。

通过式(1)对通风机系统管网中各部件静阻力的计算,得到该管网的总损失R,再按照式(6)计算出任意风量下管网的特性系数,undefined。有了管网特性系数K,就可以在一定的比例尺的qν-R平面坐标图上做出该管网的特性曲线。通风机在某一风量下所能达到的全压ptf应等于该风量下管网的总损失R,这样通风机才能稳定的工作。

表1为装置各条管道的压损计算结果,其中风量是以每条管道最大风速42 m/s为准计算的;设计时DN200管道风速不做要求,但表1中对DN200管道的风量计算仍以42 m/s为准。需要指出的是K是有量纲的,由压损和流量的量纲决定。

2.4 装置风机选型分析

风机选型有不同的方法,设计时采用无因次特性参数选型。其步骤为:①根据换算后的性能参数和转速求出风机比转速ns;②根据生产实际需要和限制,查与ns相近的几种类型风机的无因次性能曲线,得到与对应的无因次性能参数undefinedν、undefined、undefined及η;③综合比较选出一种最合适的类型。

风机比转速ns由下式计算[6]:

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式中:ns——比转速;n——风机实际转速,r/min;qν——风机风量,m3/s;p——全压,Pa。

由于设计对DN200管道风速不做要求,风机选型时只考虑DN15～DN150管道中的风量和压损。从表1可以看出DN15～DN150管道中,最大压损为9 045 Pa,DN150管道最大流量qνmax为2 671 m3/h(0.742 m3/s),DN15管道最大流量为27 m3/h(0.007 5 m3/s)。设计装置时,工作状态假设为标况。

装置设计时按实际流量和全压选择的风机,按照最大流量和压损计算的比转速:

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查找风机选型手册,选取9-19型,机号为No.6.3的风机。

由DN15管道的流量和全压(留有20%的裕量)计算的比转速:

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通常风机的比转速在15～80之间,混流通风机的比转速在80～120之间,轴流通风机的比转速在100～500之间,DN15管道的风机比转速已远超出了通风机应用的范围。

通过对每条管道进行同样的计算可以得到:所选9-19型No.6.3离心通风机适用于DN200、DN150(包括DN125套管)、DN100、DN80(包括DN65套管)管道的风量输送;DN50、DN40、DN25(包括DN15套管),压损大、流量低,没有适合其设计要求的离心风机,应考虑选用罗茨风机。

罗茨风机最大特点是:压力在允许范围内加以调节时流量之变动甚微,压力选择范围很宽,具有强制输气的特征,且其结构简单。罗茨风机在一定流量下,其压力变化范围宽,而装置管道本身流量、压损相对罗茨风机都不高,所以其选型相对离心风机简单。结合管道风量、压损,查罗茨风机性能表,本装置采用LSR100-1WD型罗茨风机,其升压可达19.6 kPa,流量409 m3/h,满足装置设计需求。

3 装置不确定度分析

根据装置设计要求标准不确定度为0.5%,对装置不确定度进行如下分析。标准表法装置合成不确定度数学模型为[3]:

u=(uundefined+uundefined+uundefined+uundefined+uundefined+uundefined+uundefined)1/2 (10)

式中:u1——标准流量计定点使用时A类标准不确定度;u2——计时器的A类标准不确定度;u3——计时器的B类标准不确定度;u4——标准流量计不带配套仪表一起检定时引起的流量测量不确定度,带配套仪表的标准流量计应带配套仪表一起检定,否则,应考虑配套仪表的不确定度;u5——标准流量计检定和使用的流体条件不同时引起的流量测量不确定度;u6——数据采集、信号处理、数据处理及通讯不确定度所引起的流量测量不确定度;u7——检定标准流量计的流量标准装置的合成不确定度。

其中,①采用标准瞬时流量计检定瞬时流量计,不需要配备计时器[2],故u2=u3=0;②标准流量计为涡街流量计,其传感器与配套转换器为一体的,检定时是一起检定的[3],故u4=0;③标准流量计误差为±1个脉冲,采集脉冲数不少于2 000个脉冲,其不确定度为1/2 000,按规程可以不计[6],故u6=0。

对定点使用仪表系数的标准流量计,有[2]:

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式中:si——第i个检定点的A类标准不确定度;σKi——第i个检定点的仪表系数标准偏差,1/m3;Ki——第i个检定点的仪表系数平均值,1/m3。

当每条标定管线只有一台标准表时,有[2]:

u1=(si)max (12)

对于u1,根据涡街流量计检定记录,各条标定管线中标准涡街流量计有:

(si)max=0.23% (13)

故取u1=0.23%。

标准流量计检定和使用时均采用气体介质,因气体具有压缩性,故配用了温度和压力变送器。对温度、压力测量不确定度的规定:温度(压力)测量不确定度所引起的流量测量不确定度应不超过标准装置扩展不确定度的1/5。否则,标准装置合成标准不确定度应考虑温度(压力)测量不确定度[3]。

根据误差理论,合成相对不确定度,可以根据下式计算:

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式中:ucr——合成不确定度;undefined——相对灵敏度,也是xi的相对不确定度在ucr中所占的比例(权重)。

用涡街流量计测量管道中的空气的流量不确定度,其测量模型为:

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式中:qνN——标况下流量,m3/s;TN——标况下温度,K;PN——标况下压力,Pa;undefined。

由undefined,可得:

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undefined (17)

将式(16)、式(17)代入式(14),可得:

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可见温度、压力测量影响权重均为“1”,故按前述规定,整套装置的标准不确定度为0.5%,装置不确定度较高,必须最大程度降低各种因素对装置不确定度的影响,根据温度(压力)测量不确定度所引起的流量测量不确定度应不超过标准装置扩展不确定度的1/5这一规定,可知,只要温度、压力测量的不确定度均在0.1%以内,则:

u5=0 (19)

否则,需要考虑温度和压力变送器的不确定度。

取温度变送器测量范围为-20～60 ℃,最大绝对误差±0.2 ℃,转换为开尔文温标后,在其量程范围内,最小示值相对误差为:

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最大示值相对误差为:

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式中:r——示值相对误差;δ——绝对误差;X0——标准表的示值。

按检定规程要求,在标准装置合成标准不确定度中,可以不考虑温度测量不确定度带来的影响。

所选压力变送器测量范围为绝对压力70～110 kPa,精度等级为0.075时,同样按检定规程要求,在标准装置合成标准不确定度中,可以不考虑压力测量不确定度带来的影响。

根据以上分析,本装置不确定度为:

u=(uundefined+uundefined)1/2 (22)

式中:u1=0.23%;u7——检定标准流量计的流量标准装置的合成不确定度。

4 装置实验测试

4.1 最大流量实验

为了检验装置风量设计的效果,对七条主管道进行了最大风量实验,结果如表2所示。实测最大风量是指调节风机流量的变频器在最大频率50 Hz时风机能给管道提供的风量。

表中偏差δ的计算公式为:

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δ为负值表明实测流量低于设计流量,为正值表示实测流量高于设计流量。由表2数据可知,以离心风机为气源的四条管道中,风量最大偏差为-10.7%,符合相关文献提出的在风机选型中误差在20%之内的说法;罗茨风机提供的风量均高于设计要求,这是因为,罗茨风机与离心风机相比,在相同风量下,能够提供更大的压损,在选型时,罗茨风机选定的流量就优于设计要求值。整体风量均在设计预期范围之内。

4.2 流量稳定性实验

为提高装置流量稳定性,管网入口端直接接大气,风机在管网末端吸气,由于无限大大气作为气源,有利于保证装置有较高的稳定性。采用累积时间内流量稳定性对装置进行流量稳定性检定。检定方法为[3]:在每条管道最大流量和最小流量下进行检定,连续记录反应流量大小的输出信号qi(i=1,2,…,n;n≥60)。则流量平均值为[2]:

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相对误差为[2]:

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置换法气体流量标准装置的设计篇4

气体流量计量广泛用于贸易结算、能源计量、过程控制、环境保护等方面。而气体流量计流量的溯源核心就是气体流量标准[1]。特别是近年来全球能源资源的匮乏, 全社会对流量计量的要求越来越高, 气体流量标准的研究对建立资源节约型社会和节能型工业具有十分重要的意义。

我国的气体流量标准研究水平和发达国家相比相对落后, 目前我国国内准确度等级最高的气体小流量标准装置为重庆市计量质量检测研究院的200 L活塞式气体流量标准装置, 准确度0.05级, 流量测量范围为0.01 m3/h~6 m3/h, 该装置于上世纪90年代从日本进口, 由于结构复杂, 机械加工精度要求高, 价格昂贵, 限制了该标准装置的大量生产, 使得这种计量方法无法广泛使用[2], 目前国内科研机构、计量部门大量使用气体流量标准为0.5级钟罩气体流量标准和0.5级皂膜气体流量标准, 气体流量的标准总体水平较低[3]。对于大量作为标准使用的0.2级、0.5级气体流量计无法校准, 因此, 如何有效校准高精度气体流量的标准研究迫在眉睫。

据国外相关资料报道, 荷兰计量技术研究院建立了低压动态置换气体原级标准装置的荷兰国家基准, 由500 L钟罩提供1 m3/h~4 m3/h的小流量。我国尚未开展用液体置换法的气体流量标准的研究。目前采用的气体流量标准装置对于小流量气体计量准确度低, 并且校准费用大, 对高精度的气体流量计无法校准。针对目前气体小流量标准装置存在的问题, 设计并研制置换法气体流量标准装置, 满足社会对提高气体流量精密检测技术的要求, 为企业节能降耗提供手段, 具有十分重要的意义。

本研究根据流体力学基本原理, 采用液体置换法设计检测气体流量的标准方法。

1 液体置换法气体流量装置的设计

1.1 置换法的工作原理

根据流体力学知识, 当普通流体不可压缩, 密度为常数, 且流动是恒定的时候, 可视为理想流体看待。而理想流体流动时流过任意不同截面时满足质量守恒和机械能守恒定律, 即满足流体力学的连续性方程和伯努利方程[4,5]。

置换法气体流量校准是将被校流量计、密封标准容器和标准容器用管路连接起来, 液体以一定流量流入标准量器, 测出流入标准容器的液体流量, 并与被校流量计的示值进行比较, 从而检测被测的气体流量计。置换法的工作原理图如图1所示。

下面以图1来说明校准过程:

首先, 关闭阀4和阀5, 打开阀1和阀2, 用水泵将标准密封容器装满水, 关闭阀1和阀2, 打开阀3, 根据被校流量范围分别选用小流量调节阀4或大流量调节阀5、阀6调到流量检定点, 开始计时, 这时标准密封容器的水流入标准量器, 同时分别记录被校流量计前和密封容器内的温度、湿度和压力, 当水可以从标准量器液位读出时, 记录时间t和标准体积Vs, 由于是校准气体流量计, 必须对流动气体的温度、压力、湿度加以修正, 被校流量计为转子流量计[6,7], 根据下式可计算出通过被校气体流量计的标准刻度流量qsN:

式中:Vs—流入标准量器的液体体积;t—液体流入标准量器的时间;PN, Ps, Pm—标准状态下、标准密封容器内和流量计前的气体绝对压力, PN=101 325 Pa;TN, Ts, Tm—标准状态下、密封容器内和流量计前的气体热力学温度, TN=293.15 K;PDs, PDm—标准密封容器内和流量计前水蒸气压力。

被校流量计为其他气体流量计, 根据下式可计算出通过被校气体流量计的实际流量qs:

1.2 气体流量装置的样机

气体流量装置的样机如图2所示。管路设计参数分别是:管内径d=0.032 m, 管道长度l=1.5 m, 流量Q1=130 L/min, Q2=45 L/min, 水温T=20℃, 装置管路采用PVC材质, 绝对粗糙度K=0.02 mm。

1.3 置换法气体流量装置的软件设计

该系统软件设计采用结构化和模块化设计方法, 便于功能扩展。该管理系统主要由文件、检定模块、查询模块、图像采集模块、数据维护等模块组成。其中, 最核心的模块是检定模块, 该模块包括连接标准流量装置、温湿度计、压力表进行流量检定3个功能。

1.3.1 测量前信息

测量前需要对待检表的相关信息进行登记, 主要有委托单位、制造厂、规格型号等。按照实际情况如实填写各栏即可。其中, 流量计类型选定、流量计上限流量及单位、检定依据等须参照待检表来认真填写。当确认信息录入无误后点击“保存”完成测量前信息录入, 进入下一步, 即进入测量监控部分。

该软件还支持续检功能, 即能继续完成以前未完成的检定工作。具体操作为:点击更多未测量信息按钮, 界面上测量编号就会变成下拉框并列出所有未完成的检定, 选择需续检的序号即可进入测量监控界面继续检测。

1.3.2 测量监控

测量监控主要由以下几个部分组成:连接状态区、开关状态区、控制键盘区、实时数据采集显示区、自动测量量程选择区、测量相关信息录入及结果显示区等。具体软件界面如图3所示。

各模块功能和操作方法如下:

(1) 连接状态。标示系统与压力表、温湿度计和气体流量标准装置的连接状态, 如没连接上则显示红色并汉字提示无法连接, 此时需检查相关设备和系统的连接线, 排除故障后点击“重新连接”按钮重新测试连接状况。若确定采用脱机测试则可点击相应装置连接状况的汉字提示区, 就可关掉与相应设备的连接而进行脱机测试。此时颜色会变成灰色并提示手动输入相应数据;如脱离气体流量标准装置则只能进行离机测量。如需再连接各设备进行测量, 点击“重新连接”即可。如系统和各设备连接上则显示绿色并汉字提示, 此时可进行所有的操作。

(2) 测量方式选择区。动态测量和静态测量选择。动态测量为采用换向法进行测量, 即在测量过程中首先打开通向水槽的电磁阀开始放水, 流速稳定后关闭通向水槽的电磁阀, 打开通向电子秤上的容器阀门开始测量。静态测量为不进行换向操作, 直接打开通向电子秤上的容器阀门开始测量。

(3) 键盘控制区。主要由离机测量、复位、放水、注水、自动测量、手动测量、开始测量和停止测量8个键组成。其中离机测量是专为小流量检测而设计, 主要操作为点击此按钮开始计时、采集温湿度及压强值, 再次点击结束测量, 该操作可脱离气体流量标准装置而进行。键盘控制区后7个按键主要是操作气体流量标准装置而进行测量。

(4) 实时数据采集区。显示测量过程中的各个测量结果值。当脱离压力表进行测量时标准器内表压会变成输入框, 此时需手动输入压力值, 当脱离温湿度计进行测量时标准器内温度、标准器内湿度都会变成输入框, 此时需手动输入温湿度值。

(5) 自动测量量程选择。当进行自动测量时需在此选择量程, 有10 L、50 L和100 L (默认) 3个选项, 当选择好量程后再进行自动测量时在液位到达量程位置时则会自动停止测量。

(6) 单位选择和标准选择。有mL和L, 还有瞬时和累计4个选项, 根据实际情况进行选择。会影响最后的计算结果的单位和数值及报表格式。

(7) 测量相关信息录入和结果显示。手动录入当地大气压、流量计前温湿度值、实测容积值、被检表流量和流量计前表压再点计算则可以得出此次测量的结果。点击“保存”完成一次测量流程。

1.3.3 测量结果

测量结果分为测量记录区、相关信息录入区两部分。测量记录区是记录上一步中测量的结果数据, 相关信息录入区主要是录入检定审核信息, 点击“保存结果”结束此次的测量, 点击“打印”则可显示测量报告打印信息。测量结果界面如图4所示。

2 检定结果分析

测量不确定度是评定测量质量的一个重要指标, 也是评定测量设备能力的基本指标[8]。本研究根据JJF1059-1999[9]及自行设计的气体流量标准装置样机的实际情况, 在制备的样机上进行了试验。

试验分析检定结果表明:置换法气体流量标准装置的扩展不确定度为U=0.09% (k=2) , 达到该设计U=0.15% (k=2) 的要求[10]。

3 结束语

本研究根据流体力学基本原理, 采用液体置换法设计检测气体流量的标准方法。

研究结果表明, 置换法气体流量装置具有操作方便、稳定性高、重复性好等优点, 用置换方法标准气体校准流量计, 符合国家量传系统表中流量计的溯源。置换法气体流量装置校准1 L/min以下小流量气体流量计采用的是高液位负压法, 由于流量计前为大气, 液体流出时有小口径短管控制, 无需加泵仅靠液体自流就可达到恒压, 计算和操作相对简单。置换法流量标准装置校准较大流量时采用泵产生恒定流量, 从而达到恒压, 使流量点的调节易于控制。置换法流量标准装置在流量量传体系中将起到重要作用, 特别是在高准确度、小流量测量方面具有优势。

摘要：气体流量计量是科学计量的一个重要组成部分, 针对目前采用的气体流量标准装置对于小流量气体计量准确度低, 并且校准费用大, 实现高精度的气体流量计检定及校准较为困难等问题, 根据流体力学的基本原理, 采用液体置换法设计了检测气体流量的标准方法。当液体以一定流量流入标准量器, 测出了流入标准容器的液体流量, 并与被校流量计的示值进行了比较, 从而检测被测气体流量计的精度, 同时在制备的样机上进行了试验。研究结果表明, 该方法可以使装置的扩展不确定度为0.09%, 校准精度达到0.2级, 满足设计的要求。该气体流量标准装置具有操作方便、稳定性高、重复性好等优点, 特别是在高准确度小流量气体测量方面具有极大的优势。

关键词：气体流量计量,流量校准,置换法,高准确度

参考文献

[1]周伟华.浅谈流量计量的意义[J].计量与测试技术, 2008, 35 (8) :85-86.

[2]徐英华.浅谈气体流量标准装置的发展状况[J].现代测量与实验室管理, 2004 (2) :7-8.

[3]王自合.气体流量标准装置[M].北京:中国计量出版社, 2005.

[4]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社, 2004.

[5]刘建军.流体力学[M].北京:北京大学出版社, 2006.

[6]段慧明.液体流量标准装置和标准表法流量标准装置[M].北京:中国计量科学出版社, 2004.

[7]北京市计量科学研究所.JJG257-1994中华人民共和国国家计量检定规程:转子流量计[S].北京:中国计量出版社, 1994.

[8]王池.流量测量不确定度分析[M].北京:中国计量出版社, 2002.

[9]李慎安.JJG1059-1999测量不确定度的评定与表示[M].北京:中国计量出版社, 1999.

液体流量标准装置篇5

1 测量原理

依据国家计量检定规程JJG 996《液化石油气加气机》, 标准装置采用质量流量计作为标准表, 另外还配套储液瓶、精密压力表等。当液体流经被检加气机和标准装置时, 被检加气机测量值与标准装置显示值之差为示值误差。

标准表法气体流量标准装置主要用于加气机现场检定, 对于以体积计量的加气机, 需要对现场用液化石油的密度进行检测。

图1为加气机工作原理图。

储气罐中的LPG由泵送到加气机, 加气机中的气液分离器将液体中的气体分离, 气体返回到储气罐, 液体送到流量计中进行计量, 经流量计计量后的液体经软管和拉断阀送到加气枪, 再送到车载储气瓶。电子计控器自动控制加气过程, 并根据流量计输出的流量信号和温度传感器的温度信号等进行运算和显示。

2 数学模型

被检加气机的示值误差如下按式 (1) 计算。

式中,

E———被检加气机示值误差, L;

VJ———被检加气机显示的累计值, L;

VS———标准装置中质量流量计的示值, L。

其中标准表获得的质量值VS受标准质量流量计的准确度和读数的影响;VJ是被检加气机显示的累计值, 受加气机读数及测量重复性的影响。

3 不确定度

对不确定度分量的简单介绍

3.1 标准表示值带来的不确定度分量

3.1.1 标准表质量流量计本身准确度带来的不确定度分量µÁ (VS) (B类)

标准表采用精选的准确度等级为0.2级的质量流量计。其分布可视为正态分布, 取k=2, 每次检测气体用量为10 L。则

3.1.2 标准表分析率引起的不确定度分量µÁ (VS) (B类)

标准表为数字式仪表, 其最小分度为1 m L, 根据规范,

则标准流量计示值带来的不确定度分量μ (VS) 为:

3.2 加气机读数带来的不确定度分量

3.2.1 加气机读数分表率带来的不确定度分量µÁ (VJ) (B类)

加气机示值的最小分度为0.01 L, 根据不确定度评定规范,

3.2.2 加气机测量重复性带来的不确定度分量µÁ (VJ) (A类)

下面对一台稳定性好的加气机进行检测, 共测量10次, 获得数据如表1:

根据贝塞尔公式计算可得标准偏差

规程要求示值误差测量3次, 因此可得加气机测量重复性带来的不确定度分量

则加气机示值带来的不确定度分量

4 不确定度概算

上面已经提到了, 加气机的不确定度是由标准表示值带来的不确定度分量与加气机读数带来的不确定分量组成的。标准表法是一种测量方法, 其不确定度分量的影响因素只与其采用的质量流量计自身的准确度等级与分析率有关与其他无关;而读数带来的不确定度分量也只与读数方法次数和加气机的最小分度有关与其他无关。所以各分量互不相关, 其总不确定度计算公式为:

根据数学模型, 求得的灵敏系数

表2为各不确定度分量汇总表。

5 合成标准不确定度

6 扩展不确定度

取包含因子k=2 (置信概率为95%) , 于是扩展不确定度为:

7 相对扩展不确定度

8 评定结果

加气机最大允许误差绝对值为1.0%, 用标准表法气体流量标准装置进行试验, 得到示值误差测量不确定度评定结果为0.316%。规程要求标准装置示值误差测量结果的扩展不确定度 (覆盖因子k=2) 应不大于加气机最大允许误差绝对值得1/3。

计算U/MPEV=0.316≤1/3, 表明该装置用于加气机的检定是可行的。

9 结论

加气机的检定周期一般不超过半年, 加气机的性能标准也容易发生改变, 标准表法气体流量装置检测加气机可以有效快速的对加气机的性能进行校正, 使加气机更准确。

摘要：简要介绍了标准表法检测加气机的测量原理。通过对不确定度的计算, 证实标准表法气体流量装置检测加气机可以有效快速的对加气机的性能进行校正, 使加气机更准确。

关键词：加气机,LPG,不确定度

参考文献

[1]JJG 997—20××液化石油气加气机[S].

水流量标准装置的节能技术改造篇6

关键词：水流量标准装置,变频器,稳流稳压,节能技术改造

大庆油田油气水计量检定站的水流量标准装置由于投产较早及检定工作量的增加, 原有的检定方式已经不适应生产需要, 长时间的低效工作浪费了大量的电能来做无用的水循环, 决定对原水流量标准装置进行节能技术改造, 满足油田生产需求。

1 问题分析

原水流量标准装置存在的主要问题:

1) 水流量标准装置配置5台水泵, 功率分别为2台30 k W和3台80 k W, 能够提供较大的流量。在检定各种口径水流量计的中小流量点时, 需要较长的检定时间, 只能有少部分的流量用来检定, 浪费了大量的电能来做无用的水循环。

2) 水流量标准装置由于设计投产时间较早, 装置的材质不适合大庆地区水质碱性大的特点, 计量准确度和检定效率较低, 每年需要对装置进行大量的维护工作, 造成了人力物力浪费。

3) 随着国内水流量计制造技术和制造水平的不断提高, 产品的更新速度较快, 现有的水流量标准装置在设计工艺和技术水平上已经跟不上新型水流量计的快速发展[1]。

2 节能技术改造

2.1 针对能源浪费进行改造

为30 k W水泵和80 k W水泵各加装1台变频器, 并增加了1台功率为10 k W的水泵配合30 k W水泵工作, 年节电20 000 k Wh。检定同一台水流量计使用30 k W水泵与10 k W/30 k W水泵配合使用的耗电量对比见表1。

2.2 针对水质腐蚀性大进行改造

设置单独的蓄水池, 将水的碱性中和弱化后用于循环检定, 减轻水对装置和水泵的腐蚀, 减少每年的维护工作量。因为标准器放空阀悬空正对蓄水池, 且蓄水池在地面以下, 是实验室最低点, 日常工作时难免有些杂质落入蓄水池。在设计蓄水池时设置了两道阻污墙, 一道位于池顶, 主要拦截密度小于水的油污、泡沫、塑料等;另一道位于池底, 拦截密度大于水的石子等, 并在水泵进口加装了过滤网。

2.3 针对工作效率低进行改造

1) 将原来手动控制的水流量计检定台升级为串联摄像式半自动水流量计检定台, 通过电脑控制阀门、表盘图像智能识别读数配合手动控制的形式, 既能自动检定也能手动检定, 使水流量计的检定由原来的1次检定1台提升至4~5台, 大大提高了小口径水流量计的检定效率, 节约了大量电能。

2) 扩展了15~50 mm口径水流量计检定装置, 增加了65 mm、80 mm口径管线, 把80 mm口径以下水流量计集中到一套装置上检定。使用原来水流量计检定装置中的工作量器, 按国家计量检定规程要求, 可以满足15~65 mm旋翼水流量计和50~80mm水平螺翼水流量计的检定要求, 既能保证检定水流量计的准确度, 又利用了原有的大部分设备和工作量器, 在检定中小口径水流量计时, 不用启动大口径装置和大功率水泵, 既节约了电能, 又降低了大口径装置的损耗, 从而提高水流量计检定中的经济性。

2.4 针对工艺水平落后进行改造

1) 水流量标准装置比水流量计检定台的准确度等级高很多, 配套设备也更精密, 所以制造费用更高。安装设备所需面积大, 原有的实验室在合理规划和安置设备的同时, 可能还要扩建或改造实验室格局。结合实验室自身条件, 咨询了生产商和流量专家, 设计了一套尽量节省地上面积的水流量标准装置, 前后试验管段集中安装在轮盘上, 尽量缩短试验管段, 其稳流性能的缺失由以下3种方法来弥补:

◇水泵采用正压法安装, 进口低于蓄水池液面, 吸入的水不含或较少含气泡, 减小气泡对水流态的干扰;

◇水泵出口安装稳压装置, 利用装置内空气对水的挤压和内部溢流板的限制, 让水可以平稳流入试验管线;

◇试验管线前端加装束流管, 最大限度地平稳水流的流态。新的设计方案解决了实验室占地面积大和稳流稳压等问题, 同时减少资金的投入和日后修护的费用, 少安装了夹表器、换向器、调节阀、截止阀等各种主要易耗易损配件, 从根本上降低了后期的维修保养成本。

2) 高灵敏度滴水水流量计的检定是一个难点。高灵敏度滴水水流量计量程下限比较小, 可以达到2 L/h的滴水流量, 为水流量计检定台配备最小的玻璃转子流量计的最小刻度为5 L/h, 不能满足高灵敏度滴水水流量计小流量的检定。为此, 在水流量计检定台上增加一套最小刻度1 L/h的玻璃转子流量计, 并定制了一个1 L的工作量器与之配套使用。

3) 复式水流量计是由大口径水流量计旁并联1台小口径水流量计组成的, 可以根据流量大小的变化, 自动切换流体通过其中1台水流量计。这个特性造成检定时很难在停止检定瞬间读到准确的刻度, 只有当流体静止时可以轻易同时读取2台表的表盘刻度。改造后的检定复式水流量计装置流程见图1。通过在一套水流量标准装置背压管后、换向器前端安装一个能够快速开闭的气动阀门, 达到可以快速开闭截断管线、停止流体流动的目的。不检定复式水流量计时, 将气动阀常开即可恢复装置原貌。

1—进水口;2—水泵;3—截止阀;4—稳压容器;5—水池;6—单向截止阀;7—被检表;8—夹表器;9—调节阀;10—换向器;11—分水器;12—容器;13—电子秤;14—快速气动阀门。

3 结论

经过对水流量标准装置的自动化和节能化技术改造, 仅统计近3年数据, 减少用水近5000 m3, 以工业用水单价4.7元/m3计算, 节约水费约23 500元;减少用电近2×105k Wh, 以工业用电单价0.908元/k Wh计算, 节约电费约18.16万元, 对水流量计量检定节能降耗工作的开展具有重要的意义。

参考文献

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