氣體流量計自動檢定裝置的軟件和硬件組成、系統(tǒng)功能,分析了影響系統(tǒng)準確度的因素。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,工業(yè)、民用及國防等部門對氣體流量測量的介質(zhì)種類、狀態(tài)參數(shù)、流量范圍、測量準確度等提出了更高的要求。特別是,西氣東輸,各大城市的煤氣管道化,各大油田民用天然氣的商品化等政策的實施,使氣體的計量受到越來越多的重視。但是,現(xiàn)在氣體計量儀表的品種不全,準確度還不高,特別是大口徑、大流量的氣體計量還存在很多問題。所以,發(fā)展氣體流量儀表已成為我國流量計量儀表發(fā)展的重點,而建立高準確度的流量標準裝置是進行流量計研究和制造的基礎。
由于氣體流量受其溫度、壓力、濕度及其性質(zhì)的影響比液體較為明顯,因此,為檢定不同種類的氣體流量計所建立的標準裝置種類繁多,使用較普遍的有PVTt法、標準體積管法、鐘罩法、音速噴嘴法等。其中,PVTt法和標準體積管法為上等標準裝置,通常僅有流量儀表研究機構和計量部門設置,用來校驗音速噴嘴等標準流量計。鐘罩法和音速噴嘴法為傳遞標準裝置。鐘罩法主要適用于小流量(<10m2/s)、低差壓(<3kPa)和小管徑(<Φ50)的氣體流量儀表的檢定。對于油田、石化、天然氣等工業(yè)測量范圍,大多采用音速噴嘴法。音速文丘利噴嘴氣體標準裝置有如下優(yōu)點:
(1)作為標準流量計,它既可以在線標定亦可以離線標定各種氣體流量計;
(2)它可在高壓、低壓、負壓標定各種氣體流量計;
(3)精度高,噴嘴精度0·25級,整個標準裝置精度優(yōu)于0·5級;
(4)它對于高壓大流量氣體流量的測量比其它標準裝置*,如結構簡單,體積小,復現(xiàn)性好,在上等標準裝置上標定后在各種工作條件下不降低準確度。
這個裝置采用常壓法,如圖2—1所示。由Φ3、Φ4·2、Φ6、Φ8·5、Φ12、Φ17、Φ24、Φ30等8種喉徑的音速文丘利噴嘴并聯(lián)組成,有3種管徑法蘭連接被校儀表,通過電磁閥根據(jù)流量大小選定不同的噴嘴組合,可產(chǎn)生255種不同流量,從6~1338m3/h(標準狀態(tài)),流量間隔為6m3/h。整個裝置的精度優(yōu)于±0·5%。
其中,音速文丘利噴嘴的結構形狀如圖2—2所示。
它的作用原理相當于一只收縮噴嘴和一只擴壓管所組成的功能。當p/p0大于臨界壓比(對空氣為0·528)時,噴嘴與其它亞音速節(jié)流裝置一樣,流量既與上游壓力p0有關,又與下游壓力p4有關,流出系數(shù)與喉部雷諾數(shù)和馬赫數(shù)有關,這時,要提高它的準確度是很困難的。當p/p0小于或等于臨界壓比時,氣體通過噴嘴*小截面處(喉部)的流速達到當?shù)匾羲?而且始終保持此速度不變,即馬赫數(shù)等于1。音速文丘利噴嘴可作為氣體計量標準,就是利用當噴嘴入口的氣體狀態(tài)保持不變(指溫度和壓力)時,而同時壓比p/p0又小于或等于臨界壓比時,氣體通過音速文丘利噴嘴的質(zhì)量流量將是一個定值,也就是質(zhì)量流量只與上游壓力、溫度有關,所以有利于提高其測量準確度。
擴壓管的作用是當氣流通過音速文丘利噴嘴的喉部后(已達到音速),依靠激波的作用使已形成的音速氣流立即轉(zhuǎn)變?yōu)閬喴羲倭?由于擴壓管的形狀是錐形,其截面積越來越大,所以在其出流時,壓力損失得到部分恢復,即p4/p0≤0·8~0·88(隨雷諾數(shù)不同而取不同值),這樣可以使壓力損失盡量減小。根據(jù)流體流動連續(xù)性原理、能量守恒、絕熱過程以及附面層理論,可以得出下列流量公式:
式中:qm—音速噴嘴在實際條件下的質(zhì)量流量;
A*—音速噴嘴喉部的內(nèi)截面積;
P0—音速噴嘴前的氣體滯止優(yōu)良壓力;
T0—音速噴嘴前的氣體滯止溫度;
C*—實際氣體的臨界流函數(shù),由滯止條件(P0T0)查表得到;
C—流出系數(shù),是對“一維、等熵流動”這種假設的修正,實驗表明,C只是雷諾數(shù)Red的函數(shù),ISO9300給出的流出系數(shù)經(jīng)驗公式為:
C=α-bRe-nd(2—2)
式中a、b、n的數(shù)值按不同種類的文丘利噴嘴和雷諾數(shù)范圍而不同。經(jīng)驗公式(2—2)是根據(jù)一些實驗資料擬合而成的,按此公式求出的流出系數(shù)的相對誤差為±0·5。如用PVTt法氣體基準裝置實標,其相對誤差可減小到±0·25%。
式中:Red—音速噴嘴喉部雷諾數(shù);
d—音速噴嘴喉部內(nèi)徑;
μ0—氣體在滯止條件下的動力粘度。
3 氣體流量自動檢定裝置硬件設計
硬件及主要設備包括壓力變送器、溫度變送器、數(shù)據(jù)采集卡、電磁閥、計算機、打印機等,如圖3—1所示。
工作過程:打開壓縮機和真空泵,操作者根據(jù)輸入所需參數(shù),根據(jù)流量大小自動打開相應的噴嘴開關或由操作界面手動控制噴嘴開關,等待流量穩(wěn)定(P4/0<0·8)以后,計算機定時采集溫度和差壓等模擬信號和脈沖量,計算出流過被校表的質(zhì)量流量和工作狀態(tài)及標準狀態(tài)下體積流量、被校表測得的流量值(壓力、溫度是否補償可選),二者比較可得出被校表的流量系數(shù)、線性誤差、重復性誤差和準確度。
其中,數(shù)據(jù)采集卡采用中國臺灣研華公司的PCL-818L,它具有16路單端模擬輸入、16路數(shù)字量輸入輸出、1個16位定時/計數(shù)器;T1~T3、P1~P3分別為被校表處的溫度、壓力;T0、P0為滯止容器溫度、壓力;P4為噴嘴后的匯合容器壓力;FI用于連接輸出4~20mA或1~5V標準信號的氣體流量計,如氣體孔板流量計、氣體浮子流量計等;PI用于連接輸出為頻率/脈沖信號的氣體流量計,如腰輪流量計、渦輪流量計、渦街流量計等;D01~D03用于控制滯止容器前的氣動球閥的開關,以選擇不同的管徑;D04~D011用于控制各噴嘴后的氣動球閥的開關,以選擇不同的噴嘴組合。
4 氣體流量自動檢定裝置軟件設計
軟件用VB6·0編程,主要包括:裝置流程圖、操作界面的設計;各種參數(shù)輸入;數(shù)據(jù)采集和控制;報表打印;故障報警等。程序流程如圖4—1所示。
只需從菜單或文本框中輸入被校表的編號、量程、精度、采樣時間、每個校驗點之間的間隔時間等參數(shù),程序?qū)⒆詣舆M行數(shù)據(jù)采集、控制和處理,直到*后打印出校驗結果。
其中,被校點的輸入方式有3種:
·輸入上下限及需校驗的點數(shù),由程序自動計算;
·手動輸入各被校點的數(shù)值;
·直接在操作界面上選擇噴嘴。校驗方式有2種:
·自動校驗完所有被校點后,打印出校驗結果;
·手動控制每個點的校驗,隨時打印校驗結果。被校表的類型可以有2種:
·頻率型信號輸出;
·4~20mA或1~5V標準信號輸出。
5 誤差分析
整個音速噴嘴標準裝置中,影響裝置準確度的因素很多,主要有音速噴嘴的精度、差壓變送器的精度、溫度變送器的精度、濕度測量精度、采集卡的精度以及其它不確定因素。需要分析各種影響因素,確定整個音速噴嘴標準裝置的準確度。壓力變送器的準確度為±0·25%,量程0~0·1MPa;溫度變送器的準確度為±0·5%,量程0~100℃;A/D轉(zhuǎn)換精度為12位;音速噴嘴的流出系數(shù)用PVTt法氣體基準裝置實標,其準確度為±0·2%。根據(jù)式(2—1),整個裝置的不確定度為根據(jù)分析和測試,本裝置達到±0·5%的準確度,可以用于±1%及以下精度的氣體流量計的檢定。
6 結束語
本系統(tǒng)經(jīng)過實際的使用證明:系統(tǒng)具有投資少、標定精度高、操作簡便、用戶界面美觀等優(yōu)點,系統(tǒng)的各項技術指標均達到設計要求。系統(tǒng)整體精度為±0·5%,可以對±1%及以下精度的差壓式流量計、渦輪流量計、渦街流量計、腰輪流量計、轉(zhuǎn)子流量計等多種氣體流量計進行檢定。
