氣體流量計的靜態(tài)標定方法探討

0 引言

隨著(zhù)人類(lèi)工業(yè)化的不斷推進(jìn)，人們對資源的需求日益增長(cháng)，“節能環(huán)�！逼仍诿冀�。天然氣作為一種清潔高效的能源被各個(gè)領(lǐng)域廣泛利用。由于天然氣的正確計量關(guān)系到天然氣貿易結算和交易的正常進(jìn)行，關(guān)系到人民的財產(chǎn)保障，因此，需要一種高精度氣體流量計對天然氣進(jìn)行精確計量。羅茨霍爾氣體流量計是一種新型的高精度、寬量程比氣體流量計，它具有如下特點(diǎn)。

①基于精密羅茨霍爾磁感應效應原理，測量時(shí)不受流體的物理特性所限，屬于非接觸式測量。

②精度高，測量精度優(yōu)于0.2級。

③測量范圍寬，測量量程比可以達到120∶1。

④性能穩定可靠，最小流速可以達到0.5m/s。

選擇合適的標定方法，無(wú)論是對于流量計的制造，還是對流量計的使用都是十分必要的。

結合氣體流量計靜態(tài)參數的現有標定方法，提出了一種滿(mǎn)足上述新型氣體流量計的標定方法。

1 靜態(tài)標定指標

傳感器是流量計的核心部件，是獲取原始信息的重要裝置。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，傳感器為控制系統提供被控參量的信息，是自動(dòng)化裝置中必不可少的“環(huán)節”。傳感器的研發(fā)、性能評定和使用始終是人們關(guān)注的熱點(diǎn)，氣體流量計也是如此。

對氣體流量計的標定其實(shí)是對其傳感器的標定。傳感器在制造、裝配完畢后必須對設計指標進(jìn)行標定試驗，以保證量值的準確傳遞。傳感器在使用一段時(shí)間或經(jīng)過(guò)修理后，也必須對其主要技術(shù)指標再次進(jìn)行標定試驗，以確保其性能指標達到要求。傳感器的標定，就是通過(guò)試驗確立傳感器的輸入量與輸出量之間的關(guān)系。傳感器的標定有靜態(tài)標定和動(dòng)態(tài)標定兩種。靜態(tài)標定的目的就是確定傳感器靜態(tài)指標，主要是線(xiàn)性度、重復性和精度等。動(dòng)態(tài)標定的目的就是確定傳感器動(dòng)態(tài)指標，主要是時(shí)間常數、固有頻率和阻尼比等。

傳感器輸出曲線(xiàn)的靜態(tài)特性如圖1所示。圖1中，x軸代表傳感器的輸入量，y軸代表傳感器的輸出量。直線(xiàn)1代表傳感器待校準曲線(xiàn)按最小二乘法擬合的直線(xiàn)，以便于研究線(xiàn)性關(guān)系；曲線(xiàn)2、3、4為傳感器的輸出曲線(xiàn)，即校準曲線(xiàn)。ΔR_max為傳感器的重復性誤差，ΔL_max為傳感器的非線(xiàn)性誤差。

圖1 傳感器輸出曲線(xiàn)的靜態(tài)特性示意圖

氣體流量計的性能指標主要為重復性、線(xiàn)性度和精度。下面對這三種靜態(tài)指標進(jìn)行分析。

1.1 重復性

檢測時(shí)一般選取5個(gè)測量點(diǎn)，每一點(diǎn)重復測量3次，可得到3條輸出曲線(xiàn)，獲得系列值y_i1、y_i2、y_i3，最大值與最小值之差作為重復性誤差ΔR_i，在3個(gè)ΔR_i中取最大值ΔR_max作為重復性誤差，則重復性γ_R以滿(mǎn)量程y_FS輸出的百分數表示，即：

    （1）

1.2 線(xiàn)性度

圖1中直線(xiàn)1為按最小二乘法擬合的輸出曲線(xiàn)，以便于研究線(xiàn)性關(guān)系。y_i1、y_i2、y_i3最大值與擬合直線(xiàn)之差作為非線(xiàn)性誤差ΔL_i，在3個(gè)ΔLi中取最大值ΔL_max，則線(xiàn)性度γ_L以滿(mǎn)量程y_FS輸出的百分數表示，即

    （2）

1.3 靈敏度

傳感器輸出量的變化量Δy與引起該變化量的輸入變化量Δx之比即為靜態(tài)靈敏度。圖1中，擬合直線(xiàn)的斜率即為傳感器的靈敏度，其表達式為：

    （3）

2 靜態(tài)標定裝置的分析

氣體流量標定裝置可以分為原級標定和次級標定兩大類(lèi)。原級標定是流量計裝置可能達到的最高準確度，如pVTt法、鐘罩法。次級標定一般是通過(guò)原始標定裝置的量值傳遞、具有良好的重復性和穩定性的標定，如標準表法氣體流量標定裝置。目前，常用的標準表主要有臨界流噴嘴。另外，還有水標法標定裝置，其主要是利用稱(chēng)重法，以水為檢定介質(zhì)，然后根據相關(guān)公式換算成氣體狀態(tài)下的量值。下面分別對這四種標定方法及其標定裝置的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 水標法標定裝置

根據現有設備，水標法是首先考慮的最方便可行的方案。水標法氣體流量標定裝置利用稱(chēng)重法，以水為檢定介質(zhì)，可以分別對液體流量計和氣體流量計進(jìn)行檢定。

該方法的標定原理是在裝置中安裝一個(gè)帶有電子稱(chēng)的稱(chēng)重容器，測量在標定時(shí)間內通過(guò)容器的水的質(zhì)量，然后將電子稱(chēng)示數和被檢流量計示數進(jìn)行對比，從而實(shí)現對流量計的標定。

水標法氣體流量標定裝置如圖2所示。

圖2 水標法氣體流量標定裝置示意圖

水標法氣體流量標定裝置主要有儲水池、穩壓罐、流量調節閥、稱(chēng)重容器、電子稱(chēng)等設備。標定時(shí)，啟動(dòng)水泵，水池里的水依次經(jīng)過(guò)穩壓罐、被檢流量計，最后到達稱(chēng)重容器，讀出電子稱(chēng)的示數。

該裝置的優(yōu)點(diǎn)是設備少，操作簡(jiǎn)單，可以為本氣體流量計的標定節約大量成本。缺點(diǎn)是檢定結果誤差較大，因為在《靶式流量計中華人民共和國國家計量檢定規程》中明確提出，檢定介質(zhì)應盡可能采用黏度、密度等與實(shí)際工作介質(zhì)相同或相近的流體。對于測量液體的流量計，以清潔水為檢定介質(zhì)；對于測量氣體的流量計，以空氣為檢定介質(zhì)。因此，需要一種以氣體為檢定介質(zhì)、高精度的氣體流量標定裝置。

2.2 pVTt法標定裝置

pVTt法氣體流量標定裝置是測量氣體質(zhì)量流量的一種高精度標定裝置。

該方法的標定原理是在標定時(shí)間t內，氣體流入或流出容積為V的標準容器，根據標準容器內氣體絕對壓力P和絕對溫度T的變化，可以求得氣體質(zhì)量流量，也就是通過(guò)被檢流量計的質(zhì)量流量，再將其與被檢表的示值進(jìn)行比較，可以實(shí)現對流量計的標定。該裝置主要用于檢定臨界流噴嘴，也可以檢定其他流量計。

pVTt法氣體流量標定裝置的質(zhì)量流量q_m方程為：

    （4）

式中：V為標準容器的體積，m³；P_i為抽氣后標準容器內的絕對壓力，Pa；T_i為抽氣后標準容器內的絕對溫度，K；P_f為充氣后標準容器內的絕對壓力，Pa；T_f為充氣后標準容器內的絕對溫度，K；t'為標定時(shí)間，s。

pVTt法氣體流量標定裝置如圖3所示。

圖3 pVTt法氣體流量標定裝置示意圖

該裝置主要有控制元件、計時(shí)器、標準容器、電位差計、熱電偶、真空泵等設備。標定時(shí)，空氣流動(dòng)方向如圖中箭頭所示。啟動(dòng)真空泵，抽出標準容器中的空氣，接著(zhù)關(guān)閉真空泵，等到標準容器內的氣體達到平衡后，測出此時(shí)標準容器內的壓力P_i和溫度T_i。然后再打開(kāi)電磁閥。由于大氣壓大于標準容器內的壓力，周?chē)�的空氣�?jīng)流量計、過(guò)渡接管、控制元件進(jìn)入標準容器，標準容器開(kāi)始充氣。在達到標定時(shí)間t'時(shí)，在計時(shí)器的作用下，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉。當標準容器中空氣的狀態(tài)穩定后，測出此狀態(tài)下的壓力P_f和溫度T_f。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是準確度高，本新型氣體流量計的精度優(yōu)于0.2級。目前，pVTt法氣體流量標定裝置的精度可以?xún)?yōu)于0.1級，不確定度為0.05%（k=2）。該裝置可以實(shí)現對本新型氣體流量計的標定。

該方案的缺點(diǎn)是裝置的準確度主要取決于標準容器的準確度。目前，存在的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何對標準容器的容積進(jìn)行精確的標定，可以采用氣標法對標準容器進(jìn)行標定，使不確定度小于0.05%。因此，需要一種更易行的標定裝置。

2.3 鐘罩法標定裝置

鐘罩法氣體流量標定裝置是以空氣為介質(zhì)，對氣體流量計進(jìn)行檢定的可靠易行的計量設備。

該方法的標定原理就是通過(guò)標尺讀取鐘罩在標定時(shí)間內下降的位移計算鐘罩排出氣體的體積，也就是流經(jīng)被檢流量計的氣體體積，然后和被檢流量計的示數進(jìn)行對比，可以實(shí)現對流量計的標定。該裝置的標定流量q_v計算方程如下：

    （5）

式中：P_B為充氣后鐘罩內部的絕對壓力，Pa；V_B為鐘罩排出的氣體體積，m³；T_B為充氣后鐘罩內部的絕對溫度，K；P_m為被檢流量計前氣體的絕對壓力，Pa；T_m為被檢流量計前氣體的絕對溫度，K；t為標定時(shí)間，s。

鐘罩法氣體流量標定裝置如圖4所示。

圖4 鐘罩法氣體流量標定裝置示意圖

該裝置主要由鐘罩、液槽、平衡錘和補償機構等設備組成，是一個(gè)用標定過(guò)的鐘罩有效容積作為標定容積的計量?jì)x器。標定時(shí)，空氣流動(dòng)方向如圖中箭頭所示。先通過(guò)鼓風(fēng)機對鐘罩內部吹氣，使得鐘罩緩緩上升至最高處，關(guān)閉鼓風(fēng)機。然后打開(kāi)調節閥，氣體從鐘罩經(jīng)管道至被檢流量計處，最后排入大氣。

該裝置的優(yōu)點(diǎn)是工作壓力較低（一般工作壓力小于101kPa），對于小流量測量特性非常穩定。該氣體流量計測量靈敏度高，測量最低氣體流速可以達到0.5m/s，用此裝置可以實(shí)現對該氣體流量計小流量部分的精確標定。

該裝置的缺點(diǎn)是鐘罩頂蓋承受力有限，故工作壓力低（小于3kPa）。鐘罩的內容積有限，因此只適合用于小流量（小于10m³/h）、小管徑的氣體流量?jì)x表的檢定，而該氣體流量計測量范圍寬，因此，該裝置不能滿(mǎn)足對大流量的標定。鐘罩由液體密封，故氣體濕度較大，這會(huì )帶來(lái)很大誤差。另外，鐘罩價(jià)格非常昂貴，這就加大了對該氣體流量計標定的成本。因此，需要一種準確度高、標定范圍寬、投資成本少的標定裝置。

2.4 音速?lài)娮旆�標定裝置

音速?lài)娮旆�氣體流量標定裝置是一種操作簡(jiǎn)單、準確度高、標定范圍寬的標定裝置。采用音速?lài)娮旆�檢定氣體流量計有正壓法和負壓法之分。由于正壓法對氣源要求比較高，而負壓法直接使用大氣作為氣源，氣體流量穩定，且具有投資少、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，因此，決定采用負壓法。下面詳細介紹一下負壓法音速?lài)娮鞖怏w流量標定裝置。

2.4.1 音速?lài)娮?/font>