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高壓孔板流量計計量的準確性越來越受重視

作者: 來源: 發布時間:2018-03-29 10:10:21

1、前言:近年來,以天然氣為代表的高壓孔板流量計量的準確性日益受到重視,氣體壓力的不同會帶來氣體流量儀表本身機械性能的巨大變化,從而造成氣體流量儀表計量性能的嚴重變化。流量標準裝置是復現流量量值的載體,也是進行流量計量研究的必要條件,世界各國都致力建立自己的高壓孔板流量標準裝置。德國PTB、美國NLST、韓國KRISS等采用不同原級標準建立了高壓孔板流量標準裝置。中國計量科學研究院2014年建成了一套高壓孔板流量標準裝置,裝置包括高壓pVTt孔板流量原級標準裝置、高壓音速噴嘴法氣體流量次級標準裝置及高壓環道孔板流量工作標準裝置。高壓環道孔板流量標準裝置以4臺渦輪流量計作為標準表,可實現zui高壓力2.5MPa下1600m3/h的測量能力,擴展不確定為0.21% (k=2),本文分析了其組成及不確定度。

2、高壓環道氣體流量標準裝置的建立:
   高壓環道孔板流量標準裝置主要由氣源部分、動力部分、換熱部分、工作部分等組成,裝置原理簡圖見圖氣源部分為系統提供高壓氣體,主要由2臺空氣壓縮機、兩級儲氣罐、兩級調壓裝置等組成。一級儲氣罐zui高耐壓11 MPa,二級儲氣罐zui高耐壓5 MPa;一級減壓調壓系統由4個調壓閥組成,二級減壓系統由6個調壓閥組成。
    動力部分是1臺高壓鼓風機,高壓鼓風機為環道氣體提供循環動力。安裝在高壓鼓風機出口的過濾器則保證管道內氣體的潔凈,同時也起到一定的整流作用??紤]到氣體在環路系統運行中的沿程及局域壓力損失,高壓鼓風機具備2. 5 MPa下,200 kPa的升壓能力。


高壓環道氣體流量標準裝置原理簡圖

圖1高壓環道氣體流量標準裝置原理簡圖

3、標準裝置不確定度分析:
   以1臺孔板流量計標準表檢定1臺渦輪流量計被檢表為例對裝置的不確定度進行分析。
3.1、數學模型:
   根據質量守恒,通過渦輪流量計被檢表的體積流量為:

計算公式


  式中:QV,MUT為渦輪流量計被檢表的真實體積流量,m3/h;E,為孔板流量計標準表示值誤差,通過上一級標準裝置測量得到;K,為孔板流量計標準表儀表系數,為流量計本身固有特性;N,為孔板流量計標準表脈沖數;;t為實驗時間,S9Pi"PMUT分別為孔板流量計標準表、被檢表處壓力,Pa; T幾UT分別為孔板流量計標準表、被檢表處溫度,K : Z, , ZMUT分別為孔板流量計標準表、被檢表處空氣的壓縮系數。為提高壓力測量的準確度,裝置采用“絕壓+差壓”的壓力測量方式,即高精度絕壓表串聯差壓變送器。進而,式(1)可改寫為:

計算公式

式中:Pabs為高精度絕壓表取壓點處壓力,Pa;△p1

計算公式

3.2、不確定度分析:
   根據式(3),高壓環道氣體流量標準裝置,系統相對測量不確定度為:

不確定度


    由于標準表和被檢表處的參數近似,于1,忽略該項不確定度影響。魯接近    (1)渦輪流量計標準表示值誤差,ur(E,)    4臺標準表溯源至高壓音速噴嘴氣體流量次級標準裝置。高壓音速噴嘴氣體流量次級標準裝置的相對擴展不確定度為0. 15% ( k=2 ) fz7,因此,U(E,)= 0. 20 0(k=2),u(E,)=0. 10%。
    (2)壓力測量,ur(pabs) ur(△p1;),ur(△pMUT )    壓力測量系統采用“絕壓+差壓”的測量方式,通過2塊高精度絕對壓力測量儀表(以下簡稱為絕壓表)串聯7塊高精度相對壓力變送器(以下簡稱為差壓表)實現。絕壓表與差壓表取壓點分別如圖1所示。
    2塊高精度絕壓表由低壓和高壓2個測量傳感器組成:低壓段量程0. 2一0. 7 MPa,高壓段量程0.,一3. 5 MPa。校準后測量不確定度為示值的0.01%(k=2),因此,絕壓測量帶來不確度為: 2. 5 MPa下,zui大差壓為2U0 kPa,因此,靈敏度系數為:

計算公式



    差壓變送器量程0一0. 1 MPa,校準后測量不確定度為0.025% (k=2),差壓測量帶來的不確定度為:

計算公式


3. 3、裝置不確定度實現的關鍵措施:
   (1)孔板流量計標準表的原位校準
   安裝環境的變化對渦輪流量計測量準確度存在較大影響,為實現校準準確度,需特別注意安裝對渦輪流量計的影響閉。為避免標準表因拆卸、安裝帶來的不確定度,高壓環道裝置的渦輪流量計標準表設計為原位校準方式。
   校準過程中,關閉工作部分外部球閥,打開消音器處球閥,保證調壓系統一標準表渦輪流量計一16支音速噴嘴組一被檢管路一消音器一大氣做為氣體流通路徑,實現標準表的原位校準。有效提升渦輪流量計標準表溯源的可靠性,保證裝置的不確定度。
    (2)“絕壓+差壓”的壓力測量方法
   高壓環道氣體流量標準裝置采用2塊高精度絕壓表串聯7塊高精度差壓變送器的壓力測量方法,這在以往國內同類裝置中未見使用。單純使用絕壓表測量壓力(以下簡稱為“絕壓”測量)與“絕壓十差壓”2種測量方法的不確定度對比結果如表3所示。

表2高壓環道氣體流量標準裝置的不確定度分析一覽表  表3  2種壓力測量方式的不確定度對比分析表
表2高壓環道孔板流量標準裝置的不確定度分析一覽表  表3  2種壓力測量方式的不確定度對比分析表

    結果表明:使用“絕壓”測量方法時,各部分靈敏度系數均為1,壓力測量引人的標準不確定度為0. 0071 %;使用“絕壓+差壓”的壓力測量方法時,部分靈敏度系數下降至0. 08,壓力測量引人的標準不確定度降為0. 0015 %。因此,“絕壓+差壓”的測量方法由于各部分靈敏度系數的降低,有效降低了壓力測量帶來的總的不確定度,提高了裝置的不確定度。

4、結論:
   中國計量科學研究院建成一套高壓氣體流量標準裝置,該裝置包括高壓pVTt氣體流量原級標準裝置、高壓音速噴嘴法氣體流量次級標準裝置及高壓環道氣體流量工作標準裝置。該高壓環道裝置以4臺渦輪流量計作為標準表,具備2. 5 MPa,1600 m3/h的測量能力。高壓環道裝置的擴展不確定度為0.21% (k二2)??装辶髁坑嫎藴时淼脑恍逝c“絕壓+差壓”的壓力測量方式的實施保證了裝置測量不確定度的實現。

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