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用音速文丘利喷嘴作为流量标准装置在线标定孔板流量计
发布日期:2017-8-15 9:48:13
  本文在系统介绍孔板流量计传统(离线)检定方法及误差评定方法的基础上,指出了该方法的缺陷为未能考虑系统误差的影响因素;论证了系统误差的存在是必然的;提出了解决途径是在线标定;给出了其相应的误差评定公式及其系统误差的消除方法。                     以标准孔板做为节流件的节流装置,被广泛应用于各种介质的流量测量。特别是对于高压头,大流量的气体(天然气、煤气、过热蒸汽等)的流量测量。这种计量器几乎是惟一的选择。关于标准节流装置,国家标准GB/T2624-93规范了标准节流装置的设计、安装和使用条件及其在该条件下流量测量总不确定度的估算方法。只要节流装置的设计、制造使用符合国际的规范要求,则流量测量的不确定度,便可以一定的置信度予以估算。这在装置完全符合标准文件(国标)要求的条件下无疑是可行的。但孔板的实际应用中往往会偏离“要求”,这时为消除偏离“要求”而产生的附加误差,则需要对流量系数a(或流出系数c)、管道直径D和孔板开孔直径d、膨胀系数ε及流体密度进行一系列补偿或修正。但这种修正是有限度的,且又过于繁琐而不足取。这时若采用标准孔板的在线标定,则不失为一种可行之方法。
  1 现行离线标定方法及特点
  目前,依据JJG26-94国家检定规程的标定方法是:
  (1)使用对构成孔板装置的节流件、取压装置和测量管道的所有几何参数进行检定,确定出D和d的误差。
  (2)单独对差压计(或差压变送器)进行检定确定其准确。
  (3)分别标定或依据经验公式估算出流量系数(a)或流出系数(c);流速膨胀系数ε和孔板上游侧流体密度ρ的误差。
  在按间接测量误差的传播定律,求出质量流量测量误差(或不确定度),可以看出上述方法有两个显著特点。
  (1)是把流量测量系统分离成几部分。在离线条件下单独标定(或给出)的各独立变量的误差是在该条件下确定的。
  (2)在计算流量测量总误差(函数误差)时,各独立变量的误差都是按服从统计规律的随机误差考虑的,而未能考虑流量测量系统中可能存在的系统误差。
  2 流量测量系统存在系统误差的可能性
  (1)流量方程中流量系数(或流出系数)的确定方法有两种。一种方法是在流量标准装置上,实测其系数a,然后确定出其标准偏差σn,但所有流量装置可能存在的系统误差,必然会传给流量系数a。另一种方法是使用ISO标准的经验公式计算出a及其标准偏差σ,这些公式是在大量实验数据的基础上用数理统计的回归方法求得。在孔板装置的加工、安装和使用完全符合标准文件技术要求的情况下,可以认为流量系数a不存在系统误差,但在孔板装置各部分不完全符合技术要求,或在孔板装置离线检定过程中,不自觉使用了不准确的计量器具,而表面上符合要求而实际不符各要求的情况下,也必然会产生附加的系统误差。
  (2)检测孔板装置的几何参数D和d时,通常是把D和d作为一个等精度直接测量的随机变量,得到一列测量数据后,取其算术平均值作为测量值。其单次测量的标准偏差与所选用的量具本身最大误差三分之一的平方和的平方根便为σd(或σD)值,这里把“最大误差”按服从正态分布的随机误差对待的。而量具的最大误差不可避免的会有上级标准传递时系统误差成份,则用它测量D或d的测量结果,造成系统误差也是必然的。
  (3)差压ΔP值的误差,由差压计(或差压变送器)的准确度为前提条件进行估算,而其准确度是用引用误差表示的。引用误差的定义为差压计(或差压变送器)的最大示值误差与差压计(或差压变送器)测量上限之比的百分数。其示值误差(ΔP示-ΔP示)为即有大小,又有方向的恒定系统误差。而ΔP示是由标准器传递时所复现的标准差压值。该差压值在由上一级标准传递时,也不可避免存在系统误差。至于流体密度ρ的误差主要取决于压力P的温度t的测量误差。而压力P和温度测量存在系统误差的可能性就大了,这是容易理解的。再者经分离标定合格的各部分组装后,是否真正符合安装要求,也常不被人们所重视。这种安装与设计的偏离也会造成系统误差,即使分离标定合格,安装符合要求,但是使用时,介质通过安置后,由于介质的各种物理、化学作用也将会改变装置的技术状态。因此在孔板装置的应用中,系统误差是不可避免的。应探求一种即能估算不确定度,又能发现和消除系统误差的新方法。
  3 在线标定方法的探讨
  在华北油田向北京输送天然气的计量时,为了发现和消除孔板装置的系统误差,保证其准确度,首先进行了在线标定的实验,并取得了较为满意的结果。
  3·1 标定原理
  在线标定的原理如图1所示。选择经过精心标定,准确度不低于±0。5%的音速文丘利喷嘴(圆柱形喉部)作为流量标准装置,与孔板装置串连而成。标定时关闭阀门1开启阀门2和阀门3,使天然气在恒流条件下先经喷嘴后流经孔板,在保证喷嘴入、出口的压力比P0/P1≤(0.85~0.95)的前提下,同步读取P、T、P1、T1和ΔP之值,并在喷嘴上游测取样分析组合,如此重复六次,就可计算出在该流量下孔板装置引用流量系数的测量值K′0,对于确定的孔板装置、确定的介质和确定的流动状态来说K′0是一个常数,这时孔板装置体积流量公式为:
  式中,ΔP为差压;P1为绝对压力;T1为绝对温度。
  设孔板装置引用流量系数的理论计算值为K。则
  式中,α为孔板的流量系数;G为气体相对密度;Z为标定状态下的气体压缩因子;d2为孔板开孔直径;ε为膨涨系数。
  为求K′0,把孔板与喷嘴装置的体积流量方程联立求解可得到:
  式中,k为喷嘴的流量系数;p和T分别为喷嘴前滞止绝对压力和热力学温度;ρ0为天然气的标准密度。
  在同一流量下可得到6个引用流量系数,然后调整流量值,便可得到其它流量下的相同个数引用流量系数。
  3·2 孔板流量计装置误差的评定方法
  (1)孔板装置随机误差的评定
  任一流量标定点下的随机误差(用极限误差表示)为:
  式中,δ0为音速喷嘴装置准确度;δ1为同一流量下引用流量系数的重复性误差为引用流量系数测量值的单次流量标准差;ta为t分布量因子,由其自由度和选定的显著度确定;k1为同一流量下,引用流量系数的算术平均值。
  (2)孔板装置系统误差E的评定
  3·3 系统误差E的消除或修正
  在孔板流量计装置的流量范围内,分别用相应流量下,标定得到的引用流量系数代替孔板体积流量公式中的K0,就可消除系统误差E。
  3·4 标定结果
  3·5 关于音速文利喷嘴装置的几点说明
  为保证标定孔板装置的需要,除对构成音速文丘利喷嘴装置一次装置应进行精心标定外,还应注意以下几点:
  (1)其临界流函数和流出系数,应分别由下式确定:
  (2)压力P的测量选用0·25级的标准压力表,对其示值应用下式进行修证:
  (3)温度测量选用分度值为0·1度的温度计,且对其示值用下式修证:
  这样便可消除喷嘴装置在使用状态下可能存在系统误差,保证其准确度不低于0·5%。
  标准孔板应用时系统误差的存在是不可避免的。用音速文丘利喷嘴作为流量标准装置在线标定孔板装置,是发现和消除系统误差的可行且有效方法。