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玻璃转子流量计检定过程中问题解决



摘 要:玻璃转子流量计在检定过程中,因调节气体流量的方法不同会直接影响检定结果的准确度.针对这一问题,采用氧气、二氧化碳2种气体分别作为检定介质,利用容积法对玻璃转子流量计分别采用前调与后调流量的方法进行对比实验.根据实测实验数据进行分析研究,证实了对气体流量的调节采用后调流量的方法,可使检定误差大大减小,因而进一步提高了检定结果的准确度.这不仅对于实际检定工作中提高检定准确度有着重要的意义,同时提高了流量计实际使用时的准确性.
  在工矿企业中,需要进行气体流量测量的场合随处可见.目前,气体流量的计量问题成为我国计量仪表发展的重点,很多问题都尚未得到解决.此外,气体流量计的品种也不齐全,特别是大口径、大流量的气体流量计存在很多的问题.因此对于气体流量计的准确性及其传递有着更为严格的要求[1].在流量计的实际使用过程中,一般都从仪器的选择方面提高测量结果的准确度,但却常常忽略了从最初的检定来减小误差的影响.但事实上,只有确保了检定的准确性,才能减小气体流量计使用误差,从而进一步提高测量的准确度.

  在实际工作中,多数检定人员没有意识到前调和后调的区别,但是2种看似差别不大的调节方式对检定结果影响很大。目前针对这个问题多是理论分析,缺乏实验数据验证,本课题针对上述情况在前期进行了实验设计并获得了大量的实验数据.根据实测数据结合建立的数学模型,来对前调与后调流量2种方法进行对比分析.同时对于如何在检定玻璃转子流量计时提高检定精度方面做了研究,并提出了有效的解决方法,从而大大减小了玻璃转子流量计检定误差.
 
1、转子流量计的检定原理与数学模型:
  转子流量计的检定标准是根据JJG257-2007转子流量计检定规程而进行的[2],检定时采用钟罩式气体流量标准装置.钟罩式气体流量标准装置如图1所示[3-4].图中的钟罩是一个上部有顶盖,下部开口的容器,筒体内盛满水或者不易挥发的油.由于液封的作用,使得钟罩成为一个密封的容器.进气阀上的导管插入钟罩内,顶端露出液面,其高度以钟罩下降到最低点时不碰到钟罩顶盖为宜.为了避免钟罩下降时晃动,通过导轮、定滑轮及配重锤来调节钟罩内的压力.检定玻璃转子流量计的工作原理是首先打开进气阀门,关闭出气阀,开动气泵使气体通过导管流入气体流量标准装置的工作量器内.当钟罩上升到最高位置时,关闭气泵,停一段时间后,待标准容器内气体的温度稳定时,开始检定流量计.钟罩式气体流量标准装置本身是一个恒压源并给出标准容积的装置.打开出气阀和调节阀,钟罩以一定的速度下降.此时开始计时,流量计开始计数,测出钟罩排出的气体体积、温度和时间,钟罩内的气体通过导气管经被检定的流量计流入大气,计算出流量计在刻度状态下的实际流量和示值误差.实际流量值可根据公式(1)计算得出[5]
      VP ()
                                 
                =0.0538τ       
τ  
                       
式中,, 分别为流量标准装置内排出的气体体积,排出装置的时间. , , 分别为标准状态下、流量标
τ
 
准装置内和流量计前的气体绝对压力, =101325Pa. , 分别为标准状态下、流量标准装置内和流量计前的气体绝对温度 = 273.15+20K=293.15K.将实际流量值 与被检流量计的显示值相比较,利用公式()可计算出被检流量计示值相对误差为[5]
 
      ()
   
δ =   ×100
式中,δ——— 被检流量计示值相对误差,——— 被检流量计的显示值,——— 实际流量值.钟罩式气体流量标准装置如图1所示.
 图1	钟罩式气体流量标准装置

 
图1 钟罩式气体流量标准装置

2、实验数据处理:
2.1、气体测量刻度换算:
 
日常使用的转子流量计,由于转子流量计制造厂家标定设备的限制,通常只能用水或者空气来进行标
 
定,所以实验中所用的检定介质为非标定介质,应对转子流量计读数进行修正也称为刻度换算.本实验中标
 
准状态下检定点为1000L/h,气体的密度受压力、温度变化的影响较大.因此,测量不同气体时要进行刻度
 
换算.流量计的换算问题,实际上就是对于不同的流体浮子处于同一高度时,所反映出的流量值不同.这里使
 
用了简化后的刻度气体换算公式,忽略黏度对流体气体的影响.在实验时的检定温度设定为常温.介质不是
干空气,所以要对流量示值进行修正,可用公式(),求出检定介质的修正值[6-7]  
               
               
      ρ   ()
   = ρ        
    01pT  
         
式中, 为流量计的气体示值流量或输出信号所对应的流量 ρ01 为使用气体在刻度状态下的密度 ,,
         pT
分别为工作状态下的气体流量换算到标准状态下的流量,被测气体的压力(即表压力与大气压力之和)及温
ρ , , 分别为标准状态下被测干气体的密度、压力及开尔文温度, =101325Pa.    
   T                      
    标准状态下氧气的密度是   / ,二氧化碳的密度为   / ,空气的密度为
            1.331kgm         1.829kg   1.205kgm.
根据修正公式(),可以得到氧气修正后检定点为   /,二氧化碳修正后检定点为  
                  945.44Lh       806.53Lh.
2.2 氧气和二氧化碳实验结果的分析与计算                  
                             
    玻璃转子流量计检定介质为氧气前调流量和后调流量实验数据如表1和表2所示.    
              前调流量实验数据          
                                 
            Tab.1 Experimentaldataofbeforetheflowregulation      
                               
    检测气体   检定点/( -1) 起始值/ 终止值/ 时间/ 流量标准装置内气 流量计前气体
             
        L·h         min 体绝对压力/ 绝对压力/
                            Pa   Pa  
      氧气 1000       31.5   1300   85000
                 
      氧气 1000       31.5   1300   80000
                 
      氧气 1000       31.4   1300   195000
                 
                             
              后调流量实验数据          
                                 
            Tab.2 Experimentaldataofaftertheflowregulation      
                               
    检测气体   检定点/( -1) 起始值/ 终止值/ 时间/ 流量标准装置内气 流量计前气体
             
        L·h         min 体绝对压力/ 绝对压力/
                            Pa   Pa  
      氧气 1000       47.9   1300   120000
                 
      氧气 1000       48.0   1300   120000
                 
      氧气 1000       58.1   1300   220000
                 
                                   
 
在检定玻璃转子流量计时,以上一组数据是以氧气为介质进行实验,压力下所对应的2个值分别为,即流量标准装置内和流量计前气体的绝对压力.实验中标准状态下检定点为1000L/h,根据公式(3),对氧气修正后的检定点为945.44L/h.根据公式(1)、表1以及表2中氧气的实验数据可得前调和后调流量值如图2所示.
图2	检定介质为氧气的前调和后调流量值  Fig.2 Testmediumfortheoxygenbeforeorafterthetransferflowrate

图2 检定介质为氧气的前调和后调流量值
 
Fig.2 Testmediumfortheoxygenbeforeorafterthetransferflowrate
根据公式(2),介质为氧气的前调及后调流量的示值误差
 
前调           945.44-659.73       ()
           
  δ =   ×100%=   659.73 ×100% =43.3%  
后调     945.44-987.64       ()
  δ =     ×100%=   987.64   ×100% =4.3%.
 
实验中,对于检定时气体流量的前调和后调都分别采集了3组数据,对于3组数据求得的平均值作为最后的实际流量值,使检定结果更加准确.从以上的实验结果来看,对氧气的数据分析知前调流量平均值为659.73L/h,后调流量平均值为987.64L/h,相比刻度修正后氧气的检定点,后调流量与密度修正后检定点945.44L/h的值更为接近.由前调和后调流量氧气的示值误差计算知,前调流量相对误差为43.3%,后调流量相对误差为4.3%.从而可以看出,检定时使用后调流量,其实际流量值与检定点更为接近且相对误差远远小于前调流量.2种看似差别不大的调节流量的方法,对于检定结果却有很大的差异,后调流量可使检定结果更为准确.对于一种介质,由于其每种气体都有各自的特殊性,从而不能充分地说明哪种调节准确度更高,相对误差更小.为了使结果具有普遍性,任意选用另外一种气体进行实验,以便更加清楚地说明结果的普遍性.玻璃转子流量计检定介质为二氧化碳前调流量和后调流量实验数据如表3和表4所示.
 
        前调流量实验数据    
                 
      Tab.3 Experimentaldataofbeforetheflowregulation  
                 
检测气体 检定点/ 起始值/ 终止值/ 时间/ 流量标准装置内 流量计前气体
       
  -1     min 气体绝对压力/ 绝对压力/
  L·h           Pa Pa
二氧化碳 1000     28.1 1300 22000
     
二氧化碳 1000     28.0 1300 16000
     
二氧化碳 1000     27.8 1300 85600
     
二氧化碳 1000     27.7 1300 75700
     
        后调流量实验数据    
                 
      Tab.4 Experimentaldataofaftertheflowregulation  
                 
检测气体 检定点/ 起始值/ 终止值/ 时间/ 流量标准装置内 流量计前气体
       
  -1     min 气体绝对压力/ 绝对压力/
  L·h           Pa Pa
二氧化碳 1000     37.5 1300 80000
     
二氧化碳 1000     36.3 1300 65000
     
二氧化碳 1000     49.7 1300 200000
     
二氧化碳 1000     49.6 1300 195000
     

 
对于以二氧化碳为介质检定转子流量计时,其检定点同样选择1000L/h,同理根据公式(1)、表3和表4中二氧化碳的实验数据可得二氧化碳前调和后调流量值如图3所示.
图3	检定介质为二氧化碳的前调和后调流量值

图3 检定介质为二氧化碳的前调和后调流量值
  对于前调和后调流量,以每组中4次实际流量值的平均值为前调和后调最后的实际流量值,避免粗大误差对实验结果的影响.同理根据公式(2),二氧化碳修正后检定点的值为806.53L/h,由图3中前调的平均值与后调平均值可得二氧化碳的示值误差:前调为14.3%,后调为7.0%,其计算过程与氧气的示值误差计算过程相同.对二氧化碳的数据分析知前调流量平均值为705.81L/h,后调流量平均值为867.41L/h,相比对二氧化碳刻度修正后的检定点,后调流量与密度修正后检定点806.53L/h的值更为接近.前调流量相对误差为14.3%,后调流量相对误差为7.0%.二氧化碳的实验结果更加充分地证明了在对玻璃转子流量计检定时,使用后调流量可使相对误差大大减小,检定结果更加准确.
 
3、结论:
   从氧气的实验数据分析可知:前调流量平均值为659.73L/h,后调流量平均值为987.64L/h,后调流量均值与氧气密度修正后检定点945.44L/h的值更为接近.对于示值误差,前调流量相对误差为43.3%,后调流量相对误差为4.3%,后调流量的误差远远小于前调流量的误差值.从二氧化碳的实验结果分析得到前调流量平均值为705.81L/h,后调流量平均值为867.41L/h,与密度修正后检定点806.53L/h相比较,可以清楚看到后调流量均值更为接近修正后的检定点.二氧化碳前调流量相对误差为14.3%,后调流量相对误差为7.0%,进一步证实了在检定玻璃转子流量计时使用后调流量可使检定结果更加准确,减小误差对检定结果的影响.