气体流量计自动检定装置的软件和硬件组成、系统功能,分析了影响系统准确度的因素。随着国民经济的发展,工业、民用及国防等部门对气体流量测量的介质种类、状态参数、流量范围、测量准确度等提出了更高的要求。特别是,西气东输,各大城市的煤气管道化,各大油田民用天然气的商品化等政策的实施,使气体的计量受到越来越多的重视。但是,现在气体计量仪表的品种不全,准确度还不高,特别是大口径、大流量的气体计量还存在很多问题。所以,发展气体流量仪表已成为我国流量计量仪表发展的重点,而建立高准确度的流量标准装置是进行流量计研究和制造的基础。
由于气体流量受其温度、压力、湿度及其性质的影响比液体较为明显,因此,为检定不同种类的气体流量计所建立的标准装置种类繁多,使用较普遍的有PVTt法、标准体积管法、钟罩法、音速喷嘴法等。其中,PVTt法和标准体积管法为上等标准装置,通常仅有流量仪表研究机构和计量部门设置,用来校验音速喷嘴等标准流量计。钟罩法和音速喷嘴法为传递标准装置。钟罩法主要适用于小流量(<10m2/s)、低差压(<3kPa)和小管径(<Φ50)的气体流量仪表的检定。对于油田、石化、天然气等工业测量范围,大多采用音速喷嘴法。音速文丘利喷嘴气体标准装置有如下优点:
(1)作为标准流量计,它既可以在线标定亦可以离线标定各种气体流量计;
(2)它可在高压、低压、负压标定各种气体流量计;
(3)精度高,喷嘴精度0·25级,整个标准装置精度优于0·5级;
(4)它对于高压大流量气体流量的测量比其它标准装置*,如结构简单,体积小,复现性好,在上等标准装置上标定后在各种工作条件下不降低准确度。
这个装置采用常压法,如图2—1所示。由Φ3、Φ4·2、Φ6、Φ8·5、Φ12、Φ17、Φ24、Φ30等8种喉径的音速文丘利喷嘴并联组成,有3种管径法兰连接被校仪表,通过电磁阀根据流量大小选定不同的喷嘴组合,可产生255种不同流量,从6~1338m3/h(标准状态),流量间隔为6m3/h。整个装置的精度优于±0·5%。
其中,音速文丘利喷嘴的结构形状如图2—2所示。
它的作用原理相当于一只收缩喷嘴和一只扩压管所组成的功能。当p/p0大于临界压比(对空气为0·528)时,喷嘴与其它亚音速节流装置一样,流量既与上游压力p0有关,又与下游压力p4有关,流出系数与喉部雷诺数和马赫数有关,这时,要提高它的准确度是很困难的。当p/p0小于或等于临界压比时,气体通过喷嘴*小截面处(喉部)的流速达到当地音速,而且始终保持此速度不变,即马赫数等于1。音速文丘利喷嘴可作为气体计量标准,就是利用当喷嘴入口的气体状态保持不变(指温度和压力)时,而同时压比p/p0又小于或等于临界压比时,气体通过音速文丘利喷嘴的质量流量将是一个定值,也就是质量流量只与上游压力、温度有关,所以有利于提高其测量准确度。
扩压管的作用是当气流通过音速文丘利喷嘴的喉部后(已达到音速),依靠激波的作用使已形成的音速气流立即转变为亚音速流,由于扩压管的形状是锥形,其截面积越来越大,所以在其出流时,压力损失得到部分恢复,即p4/p0≤0·8~0·88(随雷诺数不同而取不同值),这样可以使压力损失尽量减小。根据流体流动连续性原理、能量守恒、绝热过程以及附面层理论,可以得出下列流量公式:
式中:qm—音速喷嘴在实际条件下的质量流量;
A*—音速喷嘴喉部的内截面积;
P0—音速喷嘴前的气体滞止优良压力;
T0—音速喷嘴前的气体滞止温度;
C*—实际气体的临界流函数,由滞止条件(P0T0)查表得到;
C—流出系数,是对“一维、等熵流动”这种假设的修正,实验表明,C只是雷诺数Red的函数,ISO9300给出的流出系数经验公式为:
C=α-bRe-nd(2—2)
式中a、b、n的数值按不同种类的文丘利喷嘴和雷诺数范围而不同。经验公式(2—2)是根据一些实验资料拟合而成的,按此公式求出的流出系数的相对误差为±0·5。如用PVTt法气体基准装置实标,其相对误差可减小到±0·25%。
式中:Red—音速喷嘴喉部雷诺数;
d—音速喷嘴喉部内径;
μ0—气体在滞止条件下的动力粘度。
3 气体流量自动检定装置硬件设计
硬件及主要设备包括压力变送器、温度变送器、数据采集卡、电磁阀、计算机、打印机等,如图3—1所示。
工作过程:打开压缩机和真空泵,操作者根据输入所需参数,根据流量大小自动打开相应的喷嘴开关或由操作界面手动控制喷嘴开关,等待流量稳定(P4/0<0·8)以后,计算机定时采集温度和差压等模拟信号和脉冲量,计算出流过被校表的质量流量和工作状态及标准状态下体积流量、被校表测得的流量值(压力、温度是否补偿可选),二者比较可得出被校表的流量系数、线性误差、重复性误差和准确度。
其中,数据采集卡采用中国台湾研华公司的PCL-818L,它具有16路单端模拟输入、16路数字量输入输出、1个16位定时/计数器;T1~T3、P1~P3分别为被校表处的温度、压力;T0、P0为滞止容器温度、压力;P4为喷嘴后的汇合容器压力;FI用于连接输出4~20mA或1~5V标准信号的气体流量计,如气体孔板流量计、气体浮子流量计等;PI用于连接输出为频率/脉冲信号的气体流量计,如腰轮流量计、涡轮流量计、涡街流量计等;D01~D03用于控制滞止容器前的气动球阀的开关,以选择不同的管径;D04~D011用于控制各喷嘴后的气动球阀的开关,以选择不同的喷嘴组合。
4 气体流量自动检定装置软件设计
软件用VB6·0编程,主要包括:装置流程图、操作界面的设计;各种参数输入;数据采集和控制;报表打印;故障报警等。程序流程如图4—1所示。
只需从菜单或文本框中输入被校表的编号、量程、精度、采样时间、每个校验点之间的间隔时间等参数,程序将自动进行数据采集、控制和处理,直到*后打印出校验结果。
其中,被校点的输入方式有3种:
·输入上下限及需校验的点数,由程序自动计算;
·手动输入各被校点的数值;
·直接在操作界面上选择喷嘴。校验方式有2种:
·自动校验完所有被校点后,打印出校验结果;
·手动控制每个点的校验,随时打印校验结果。被校表的类型可以有2种:
·频率型信号输出;
·4~20mA或1~5V标准信号输出。
5 误差分析
整个音速喷嘴标准装置中,影响装置准确度的因素很多,主要有音速喷嘴的精度、差压变送器的精度、温度变送器的精度、湿度测量精度、采集卡的精度以及其它不确定因素。需要分析各种影响因素,确定整个音速喷嘴标准装置的准确度。压力变送器的准确度为±0·25%,量程0~0·1MPa;温度变送器的准确度为±0·5%,量程0~100℃;A/D转换精度为12位;音速喷嘴的流出系数用PVTt法气体基准装置实标,其准确度为±0·2%。根据式(2—1),整个装置的不确定度为根据分析和测试,本装置达到±0·5%的准确度,可以用于±1%及以下精度的气体流量计的检定。
6 结束语
本系统经过实际的使用证明:系统具有投资少、标定精度高、操作简便、用户界面美观等优点,系统的各项技术指标均达到设计要求。系统整体精度为±0·5%,可以对±1%及以下精度的差压式流量计、涡轮流量计、涡街流量计、腰轮流量计、转子流量计等多种气体流量计进行检定。
