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浅析标准表法流量标准装置
【来源/作者】中国计量报 【更新日期】2014-8-4 9:54:02

标准表法流量标准装置是流量计量标准,与其他方法的流量标准装置相比具有结构简单、操作方便、工作效率高、经济实用的特点。特别是可以给出较宽的流量范围,这一点是采用其他方法的流量标准装置无法相比的。近年来,国内也已建立了多套标准表法流量标准装置,但在设计和使用中存在一定的问题。

一、工作原理

标准表法流量标准装置是利用流体力学的连续性原理,将标准表和被测流量计串联,由标准表和相关参数测量仪表给出标准流量,与被测流量计的输出流量比较,确定被检测流量计的技术指标。

二、基本结构

标准表法流量标准装置的基本结构如图1所示。

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图1标准表法流量标准装置的基本结构</CTSM>

1.标准表及其相关参数测量仪表

标准表是标准表法流量标准装置的主要标准器。根据标准表法流量标准装置的试验介质和技术指标选择流量计及相关参数测量仪表。试验介质为气体时,常用的标准表有临界流流量计(音速喷嘴)、气体涡轮流量计和气体涡街流量计。试验介质为水时,常用电磁流量计为标准表。

(1)临界流流量计

临界流流量计由一次装置和二次装置组成。一次装置为临界流文丘里喷嘴(简称喷嘴),二次装置包括压力计和温度计等所需仪器。临界流流量计的流量计算公式:

式中:

qm——瞬时质量流量,kg/h;

A*——喷嘴喉部截面面积,m2

C——流出系数;

C*——实际气体临界流函数(对实际气体一维流量而言);

p0——喷嘴入口处气体绝对滞止压力,Pa;

T0——喷嘴入口处气体绝对滞止温度,K;

R——通用气体常数,J/kmol·K;

M——气体摩尔质量,kg/kmol。

由式(1)可知,临界流流量计测量的是瞬时质量流量。以临界流流量计为标准表的气体流量标准装置的标准瞬时质量流量就是临界流流量计的瞬时质量流量,以临界流流量计为标准表的气体流量标准装置的标准瞬时质量流量的不确定度只与临界流流量计的瞬时质量流量准确度有关。

按JJG643-2001《标准表法流量标准装置检定规程》要求,应给出流量点的重复性和上一级气体流量标准装置的流量不确定度,即临界流流量计测量瞬时质量流量的不确定度。

当被测流量计输出为累积体积流量时(如脉冲输出的涡轮流量计、涡街流量计等),以临界流流量计为标准表的气体流量标准装置的标准累积体积流量值应由临界流流量计、密度计和计时器共同给出。流量计算公式如下:

式中:

QV——累积体积流量,m3

qm——瞬时质量流量,kg/s;

t——累积时间,s;

ρ——介质密度,kg/m3

因此,以临界流流量计为标准表的气体流量标准装置的标准累积体积流量的不确定度不仅与临界流流量计有关,还必须考虑计时器、密度计的准确度。

2.在检测输出累积体积流量的流量计时,目前存在以下问题

(1)将被检测流量计输出累积脉冲数变成瞬时体积流量,与标准瞬时体积流量进行比较,标准瞬时体积流量由以临界流流量计为标准表的气体流量标准装置的标准瞬时质量流量和介质密度得到。标准瞬时体积流量的不确定度按标准瞬时质量流量不确定度确定,没有考虑密度计的准确度的影响,特别是在变换中引入了时间的量值,但该量值的影响没有反映在标准流量的不确定度中,而被加到被检测流量计的准确度中,这样做对被检测流量计的评定是不公正的。

(2)将被检测流量计输出累积流量,与标准累积体积流量进行比较,标准累积体积流量由以临界流流量计为标准表的气体流量标准装置的标准瞬时质量流量、密度和时间得到。标准累积体积流量的不确定度按标准瞬时质量流量不确定度确定,没有考虑变为标准累积流量时的计时器和密度计影响,这样给出的标准流量没有真实反映标准表法流量标准装置的标准流量不确定度,实际上是提高了标准流量的不确定度指标。

2.涡轮流量计、涡街流量计

涡轮流量计、涡街流量计脉冲输出时给出累积体积流量的流量计算公式:

式中:

QV——累积体积流量,m3

N——累积脉冲数;

p1p2——涡轮流量计、涡街流量计处与被检测流量计处的气体压力,Pa;

T1T2——涡轮流量计、涡街流量计处与被检测流量计处的气体温度,K;

K——涡轮流量计、涡街流量计的仪表系数。

由式(3)可知,涡轮流量计、涡街流量计为标准表的气体流量标准装置的标准累积体积流量不确定度与两台压力计和两台温度计的准确度有关。

涡轮流量计做标准表,通常按连续流量全量程使用,按JJG643-2001检定规程的要求应给出K-q(仪表系数与流量值)曲线或函数表达式,给出曲线或函数表达式的不确定度和上一级气体流量标准装置的流量不确定度。

涡街流量计做标准表,通常按规定流量点使用,流量点调节受限制,因此,涡街流量计为标准表的气体流量标准装置适合于同类流量计的检测。按JJG643-2001的要求,应给出流量点的重复性和上一级气体流量标准装置的流量不确定度。

涡街流量计为标准表的气体流量标准装置,在实际使用中存在的问题:不按规定流量点使用,对流量点采用插值方法确定,而对引入的插值误差的影响没有反映在标准流量的不确定度中。这样做,实际是提高了标准流量的不确定度指标。

3.电磁流量计

电磁流量计做标准表适用于全量程使用,输出为(4~20)mA的信号,与瞬时体积流量对应。按JJG643-2001的要求应给出Δq-q(流量修正值与流量值)曲线或函数表达式,给出曲线或函数表达式的不确定度和上一级水流量标准装置的流量不确定度。

4.计时器

标准表法流量标准装置中的计时器方面的问题:(1)计时器晶振直接采用计算机晶振,计时通过软件程序实现,这种情况不易保证计时的准确度。因为计算机工作时对晶振的稳定性没有要求,计算机晶振的稳定性指标不高,软件程序计时的准确度一般较低。(2)计时器不检定,特别是由软件程序计时的情况较严重。

三、控制系统

JJG643-2001检定规程中规定控制系统不能产生附加误差,因此必须对标准表法流量标准装置的控制系统进行检验,包括硬件和软件。

目前存在的突出问题:(1)忽视了硬件A/D转换误差。标准表法流量标准装置输入的被检测流量计的模拟量(4mA~20mA信号)转化为数字量时,实际上引入了转换误差。(2)忽视了软件计算误差。软件计算程序编制或有效位数确定的不合理引入了误差。

四、结论

在标准表法流量标准装置的设计和使用中,必须明确标准流量的不确定度是指瞬时流量还是累积流量,是体积流量还是质量流量,这其中的差别是很大的。同时,要考虑控制系统对标准流量的不确定度的影响,否则将会造成流量量值传递的失准和混乱。


【关键词】流量计量标准 标准表法 效率高 经济实用 国家标准物质网 

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