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　　關(guān)鍵字：渦街流量 傳感器 氣體流量
　　
　　1.引言
　　
　　近年來，用標(biāo)準(zhǔn)渦街流量傳感器（以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)傳感器）研究檢測氣體大流量的方法在國內(nèi)還是，初期的檢測裝置均為原始標(biāo)準(zhǔn)裝置，建設(shè)投資昂貴技術(shù)復(fù)雜，檢測效率的，通常又是計量系統(tǒng)、使用單位和儀表制造行業(yè)*的重大設(shè)備。
　　
　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，并由于標(biāo)準(zhǔn)傳感器法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可以節(jié)省大量投資和提高標(biāo)定效率。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，已獲得廣泛的應(yīng)用，如建立同等能力的流量裝置，標(biāo)準(zhǔn)傳感器法比原始基準(zhǔn)法可節(jié)省投資約60%，建設(shè)周期可縮短一半，而檢測效率可提高50%~80%，在國內(nèi)開展標(biāo)準(zhǔn)傳感器法流量檢測裝置研究，建立和完善有關(guān)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)實踐，已成為當(dāng)前技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上迫切需要解決的問題。
　　
　　2用標(biāo)準(zhǔn)傳感器法建立裝置簡介
　　
　　2．1研究裝置的指標(biāo)
　　
　　本裝置的計量方式是用標(biāo)準(zhǔn)傳感器組合比較法，研究檢測被檢傳感器的口徑DN80~300mm；流量范圍Qv=50~7500mm3/h；準(zhǔn)確度±0.5%。
　　
　　2．2裝置的基本結(jié)構(gòu)（如圖1所示）　　（1）實驗管路，該裝置由8臺口徑為DN=50~150mm的標(biāo)準(zhǔn)傳感器串，并聯(lián)組合與被檢測的大口徑傳感器（DN=80~300mm）比較。試驗管路按對角線方向平行排列，其目的是節(jié)省原材料，降低了造價，又恰好滿足各種口徑傳感器前直段的要求（根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)ZBN12005-1989或規(guī)程JJG643-1994）標(biāo)準(zhǔn)傳感器前直管段長大于50DN；被檢測傳感器前直管段長大于20DN；使阻力損失降到zui小值。
　　
　　（2）氣源，氣源是由二臺9-19型高壓離心風(fēng)機(jī)和一臺LG300×200-1型羅茨風(fēng)機(jī)供給。其中二臺同型號的離心機(jī)，通過控制電動閥門根據(jù)流量大小的需要，實現(xiàn)串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行，以滿足不同流量和不同壓力的要求。
　　
　　（3）標(biāo)準(zhǔn)傳感器：該裝置選用了8臺標(biāo)準(zhǔn)傳感器，均為應(yīng)力式渦街傳感器，該儀表的優(yōu)點(diǎn)是無可動部件具有較高的重復(fù)性，有較強(qiáng)的耐過載和耐沖擊性。傳感器本體用不銹鋼具有耐磨損和抗腐蝕性能，該傳感器具有很高的穩(wěn)定性。另外這類傳感器的儀表系數(shù)不受或很少受被測介質(zhì)物性參數(shù)的影響，所以作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器使用時，只要與被測料件基本一致就可以了。
　　
　　目前，我國的氣體渦街傳感器的標(biāo)準(zhǔn)度一般在0.5級~1級的水平上，從準(zhǔn)確度的水平上看，是無法作為0.5級標(biāo)準(zhǔn)傳感器使用的，但是這類儀表的范圍度很寬，一般都在10：1~15：1左右，而且重復(fù)性很好，均在0.2%以內(nèi)，甚至于更高，如采用壓縮范圍度在定點(diǎn)標(biāo)定是提高準(zhǔn)確度的有效方法。我們曾做了大量的試驗研究工作，結(jié)果表明若范圍度壓縮到2：1或3：1以內(nèi)，在定點(diǎn)標(biāo)定均能滿足要求，因此，使用該傳感器標(biāo)準(zhǔn)，建立氣體流量裝置是可行的。
　　
　?。?）流量的分配：為覆蓋所有被檢測的渦街傳感器，經(jīng)反復(fù)進(jìn)行流通能力的試驗，確定了標(biāo)準(zhǔn)傳感器的范圍度如表1。
　　　　1檢測原理及方法
　　
　　單臺標(biāo)準(zhǔn)流量傳感器檢測被檢傳感器時，如圖2所示為單臺標(biāo)準(zhǔn)渦街流量傳感器檢測系統(tǒng)。　　標(biāo)準(zhǔn)傳感器S與被檢測傳感器t串聯(lián)于同一管道中，在流動穩(wěn)定的情況下，任何時刻流過兩臺傳感器的質(zhì)量流量qm都是相等的，在檢測介質(zhì)為空氣的情況下，如空氣在檢測過程中分成不變，將標(biāo)準(zhǔn)傳感器s與被檢測傳感器t的狀態(tài)換算到標(biāo)準(zhǔn)氣體狀態(tài)（即P0、T0、V0）
　　
　　PsVs/Ts=PtVt/Tt=P0V0/T0（1）
　　
　　Vt=（P0V0Tt）/（T0Pt）
　　
　　體積流量qvt=qv0[（P0Tt）/（T0Pt）]（2）
　　
　　qvs=qv0[（P0Ts）/（T0Ps）]
　　
　　所以qvt/qvs=（PsTt）/（PtTs）（3）
　　
　　又因標(biāo)準(zhǔn)傳感器的儀表系數(shù)Ks
　　
　　Ks=Ns/Vs=fs/qvsfs=qvs·Ks
　　
　　被檢測傳感器的儀表常數(shù)
　　
　　Kt=Nt/Vt=ft/qvtft=qvt·Kt
　　
　　所以
　　
　　Kt/Ks=（ftqvs）/（fs/qvt）=（Ntqvs）/（Nsqvt）（4）
　　
　　式中，qv——體積流量
　　
　　f——傳感器輸出頻率
　　
　　Ns——統(tǒng)一技術(shù)時間間隔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出脈沖數(shù)
　　
　　Nt——統(tǒng)一技術(shù)時間間隔內(nèi)被檢傳感器輸出脈沖數(shù)
　　
　　將式（3）代入式（4）得
　　
　　Kt/Ks=（NtPsTt）/（NsPtTs）
　　
　　Kt=[（NtPsTt）/（NsPtTs）]·Ks=kNKptKs（5）
　　
　　式中，Kpt——壓力溫度修正系數(shù)
　　
　　1并聯(lián)傳感器檢測系統(tǒng)
　　
　　圖3為并聯(lián)傳感器的檢測系統(tǒng)，在檢測介質(zhì)為空氣的情況下，對于可壓縮流體，存在下列關(guān)系：　　
　　式中，ρt——被檢測傳感器前流體的密度
　　
　　qvt——被檢測傳感的體積流量
　　
　　qvsi——第i臺標(biāo)準(zhǔn)傳感器的體積流量
　　
　　ρsi——第i臺標(biāo)準(zhǔn)傳感器前流體的密度　　對于可壓縮流體，存在如下關(guān)系　　將式（9）代入式（8）　　式中，Ki·Ksi——分別為被檢測傳感器和第i臺標(biāo)準(zhǔn)傳感的儀表系數(shù)
　　
　　KρiTi——壓力溫度修正系數(shù)
　　
　　KNSi——同一計數(shù)時間間隔內(nèi)被檢測傳感器和第i臺標(biāo)準(zhǔn)傳感器脈沖比
　　
　　1標(biāo)準(zhǔn)傳感器法裝置基本誤差的估算及其試驗結(jié)果
　　
　　為了提高測量的準(zhǔn)確度，我們采用定點(diǎn)使用的標(biāo)準(zhǔn)傳感器儀表系數(shù)的基本誤差，按照J(rèn)JG643-1994《標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程》的規(guī)定，對定點(diǎn)使用的標(biāo)準(zhǔn)表的基本誤差為：
　　
　?。?）單次測量極限誤差：
　　
　　Eri=±ta（σki/Ki）·（11）
　　
　　式中，Eri——第i個檢定點(diǎn)的檔次測量極限相對誤差
　　
　　σki——第i個檢定點(diǎn)儀表系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差
　　
　　Ki——第i個檢定點(diǎn)的平均儀表系數(shù)
　　
　　ta——置信度為95%時的t分布系數(shù)
　　
　　標(biāo)準(zhǔn)傳感器基本誤差：
　　
　　E=±（E2s+E2r）1/2（12）
　　
　　式中，E——標(biāo)準(zhǔn)傳感器的基本誤差
　　
　　Es——檢測標(biāo)準(zhǔn)傳感器的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度
　　
　　Er——各檢測點(diǎn)單次測量極限相對誤差的zui大值
　　
　　（2）并聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的基本誤差
　　
　　式中，Ei——*臺標(biāo)準(zhǔn)傳感器的基本誤差
　　
　　qi——*臺標(biāo)準(zhǔn)傳感器的使用流量
　　
　?。?）標(biāo)準(zhǔn)傳感器裝置的基本誤差　　式中，E——標(biāo)準(zhǔn)傳感器的基本誤差
　　
　　E1——標(biāo)準(zhǔn)傳感器不帶配套儀表檢測時引起的流量附加誤差
　　
　　E2——標(biāo)準(zhǔn)傳感器和使用條件不同時引起的附加誤差
　　
　?。?）根據(jù)上述理論試驗結(jié)果
　　
　?、儆刹⒙?lián)標(biāo)準(zhǔn)渦街流量傳感器檢測流量計的方案是可行的，由定點(diǎn)檢定可達(dá)到預(yù)期的目的，如流量分配試驗匯總表中，各被檢測傳感器用標(biāo)準(zhǔn)傳感器實驗結(jié)果。
　　
　?、谟脴?biāo)準(zhǔn)表并聯(lián)法擴(kuò)大量限檢定被測傳感器，其溫度、壓力修正系數(shù)不超過0.15，對于0.5級的標(biāo)準(zhǔn)表法*要求，并提供理論和實驗結(jié)果的依據(jù)（參閱壓力、溫度修正系數(shù)KPT不確定度試驗匯總表第末欄）。
　　
　?、蹣?biāo)準(zhǔn)表的檢測
　　
　　用原始流量標(biāo)準(zhǔn)檢測裝置定點(diǎn)檢定標(biāo)準(zhǔn)表，其基本誤差均不超過±0.2%，符合標(biāo)準(zhǔn)表法裝置要求。
　　
　?、苡玫土肯?、高準(zhǔn)確度新的流量量值傳遞方法，通過理論計算和實驗結(jié)果，解決大流量檢測，得到實驗的證明，其途徑是可行的，實驗結(jié)果是吻合的。
　　
　　（5）用標(biāo)準(zhǔn)渦街流量傳感器檢定流量計時，標(biāo)準(zhǔn)表的安裝位置是隨標(biāo)準(zhǔn)表的類型不同而有所差別，解決的方法：
　　
　?、俨捎貌煌愋偷臉?biāo)準(zhǔn)表，在用原始標(biāo)準(zhǔn)檢定時，應(yīng)作標(biāo)準(zhǔn)表安裝位置的試驗，并確定安裝位置儀表系數(shù)的差別。
　　
　?、跇?biāo)準(zhǔn)表在被檢表前、后兩個位置檢測的被檢表儀表系數(shù)的平均值作為被檢表的儀表系數(shù)。
　　
　?、塾脴?biāo)準(zhǔn)渦街傳感器作標(biāo)準(zhǔn)表時，其安裝位置應(yīng)在被檢表前（即上游）；用標(biāo)準(zhǔn)渦街流量計作標(biāo)準(zhǔn)表時，其安裝位置應(yīng)在被檢表的后邊（即下游）。
　　
　?、茉囼灲Y(jié)果表明無論上游局部阻力件是什么形式，速度式標(biāo)準(zhǔn)表前直管段均采用20DN（DN為直管段內(nèi)經(jīng)）為宜。
　　
　?。?）為消除標(biāo)準(zhǔn)表的系統(tǒng)誤差，標(biāo)準(zhǔn)表的檢定應(yīng)帶前后直管段的組合件及二次指示儀表。
　　
　?。?）標(biāo)準(zhǔn)表與被檢表的輸出頻率信號應(yīng)同步記錄，標(biāo)準(zhǔn)表累積的脈沖數(shù)的數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)被檢表的準(zhǔn)確度等級確定。
　　
　?。?）串聯(lián)檢測時，單次測量的極限相對誤差，（Er）max=0.14%，標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)傳感器的裝置準(zhǔn)確度Es=0.2%則E=（0.22+0.142）1/2=0.244%。
　　
　　（9）并聯(lián)檢測時測量的極限相對誤差的zui大值
　　
　?。‥r）max=+0.31%;Es=0.2%
　　
　　則E=（0.22+0.32）1/2=0.37%。
　　
　　注：由于實驗數(shù)據(jù)較多，由于篇幅所限，這里不便將數(shù)據(jù)一一列出，如需要可來信咨詢。
　　
　　因此，該裝置準(zhǔn)確度在±0.5%以內(nèi)，可滿足渦街流量傳感器的檢測要求。
　　
　　1用標(biāo)準(zhǔn)傳感器法裝置檢測被檢傳感器的誤差
　　
　　為便于分析我們做兩個假設(shè)，其一是并聯(lián)管路布置相對對稱，流量、壓力、溫度分配均勻；其二是并聯(lián)的傳感器口徑相同，儀表系數(shù)相等。
　　
　　上述兩條件在設(shè)計裝置時是可以滿足的，也就是說被檢測的傳感器的儀表數(shù)Kt有：
　　
　　Kt=（1/n）Kpt·Kn·Ks（15）　　由此可以看出，典型的并統(tǒng)中，有n臺標(biāo)準(zhǔn)傳感器并聯(lián)，檢測出的傳感器儀表系數(shù)的相對誤差僅由溫度修正系數(shù)、同一計數(shù)時間間隔內(nèi)被檢測傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器脈沖比的系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)傳感器儀表系數(shù)三者相對誤差的1/n倍確定。至少被檢測傳感器的儀表系數(shù)相對誤差不會低于并聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)傳感器誤差大的那臺，下面就本裝置按單臺比較系統(tǒng)分析其誤差。
　　
　　由式（5）Kt=Ks·KN·KPT
　　
　?。╠Kt/Kt）=（dKs/Ks）+（dKn/Kn）+（dKPT/KPT）
　　
　?。?）標(biāo)準(zhǔn)傳感器儀表系數(shù)的相對誤差Es是由裝置上選用的范圍內(nèi)，由其基本誤差確定，按3的分析為Es=±0.14%。
　　
　?。?）脈沖比Kn的相對誤差En是以標(biāo)準(zhǔn)傳感器與被檢測傳感器中儀表系數(shù)較小的一臺2000個脈沖數(shù)的時間作為同步計數(shù)器的控制信號En=±0.05%。
　　
　?。?）溫度壓力修正系數(shù)KPT的相對誤差EPT由KPT=[（Pt+Pa）（ts+273.15）]/[（Ps+Pa）（tt+273.15）]得EKPT=[dPt/（Pt+Pa）]+[dPs（Ps+Pa）]+[dPt/（tt+173.15）]+[dPs/（tN+173.15）]
　　
　　試驗中，選用分辨率為0.1℃的溫度計和0.2級的U型壓力計按表1的流量分配方案，每個口徑的被檢測的傳感器Qmin、0.5Qmax和Qmax三點(diǎn)分別進(jìn)行了溫度溫度變化率、壓力、壓力波動及流通能力測試，然后按作出的每組數(shù)據(jù)計算出相應(yīng)的Ekpt來。計算Ekpt時考慮：
　　
　?、賶毫Σ▌?Delta;P的影響取dP≥ΔP
　　
　　②2000個脈沖數(shù)對應(yīng)的時間間隔內(nèi)溫度變化△t的變化影響取dt≥△P
　　
　?、蹨囟葔毫y量誤差的影響取
　　
　　dP≥0.1,dPt≥2000×9.80665×0.2%=0.4Pa,dPs≥800×9.80665×0.2%=0.16Pa
　　
　　從測試數(shù)據(jù)計算結(jié)果看EKPt≤0.147≈±0.2%。
　　
　　裝置檢測傳感器的儀表系數(shù)的基本誤差Et
　　
　　Et=（E2s+E2n+E2KPT+δ2）1/2=（0.142+0.052+0.2442）1/2=±0.35%
　　
　　因此可得出結(jié)論，用該裝置檢測0.5級表可滿足要求。