介紹孔板流量計傳統(離線)檢定方法及誤差評定方法

本文在系統介紹孔板流量計傳統(離線)檢定方法及誤差評定方法的基礎上,指出了該方法的缺陷為未能考慮系統誤差的影響因素;論證了系統誤差的存在是必然的;提出了解決途徑是在線標定;給出了其相應的誤差評定公式及其系統誤差的消除方法。

　　以標準孔板做為節流件的節流裝置,被廣泛應用于各種介質的流量測量。特別是對于高壓頭,大流量的氣體(天然氣、煤氣、過熱蒸汽等)的流量測量。這種計量器幾乎是惟一的選擇。關于標準節流裝置,國家標準GB/T2624-93規范了標準節流裝置的設計、安裝和使用條件及其在該條件下流量測量總不確定度的估算方法。只要節流裝置的設計、制造使用符合國際的規范要求,則流量測量的不確定度,便可以一定的置信度予以估算。這在裝置完全符合標準文件(國標)要求的條件下無疑是可行的。但孔板的實際應用中往往會偏離“要求”,這時為消除偏離“要求”而產生的附加誤差,則需要對流量系數a(或流出系數c)、管道直徑D和孔板開孔直徑d、膨脹系數ε及流體密度進行一系列補償或修正。但這種修正是有限度的,且又過于繁瑣而不足取。這時若采用標準孔板的在線標定,則不失為一種可行之方法。

　　1　現行離線標定方法及特點

　　目前,依據JJG26-94國家檢定規程的標定方法是:

　　(1)使用對構成孔板裝置的節流件、取壓裝置和測量管道的所有幾何參數進行檢定,確定出D和d的誤差。

　　(2)單獨對差壓計(或差壓變送器)進行檢定確定其準確。

　　(3)分別標定或依據經驗公式估算出流量系數(a)或流出系數(c);流速膨脹系數ε和孔板上游側流體密度ρ的誤差。

　　在按間接測量誤差的傳播定律,求出質量流量測量誤差(或不確定度),可以看出上述方法有兩個顯著特點。

　　(1)是把流量測量系統分離成幾部分。在離線條件下單獨標定(或給出)的各獨立變量的誤差是在該條件下確定的。

　　(2)在計算流量測量總誤差(函數誤差)時,各獨立變量的誤差都是按服從統計規律的隨機誤差考慮的,而未能考慮流量測量系統中可能存在的系統誤差。

　　2　流量測量系統存在系統誤差的可能性

　　(1)流量方程中流量系數(或流出系數)的確定方法有兩種。一種方法是在流量標準裝置上,實測其系數a,然后確定出其標準偏差σn,但所有流量裝置可能存在的系統誤差,必然會傳給流量系數a。另一種方法是使用ISO標準的經驗公式計算出a及其標準偏差σ,這些公式是在大量實驗數據的基礎上用數理統計的回歸方法求得。在孔板裝置的加工、安裝和使用完全符合標準文件技術要求的情況下,可以認為流量系數a不存在系統誤差,但在孔板裝置各部分不完全符合技術要求,或在孔板裝置離線檢定過程中,不自覺使用了不準確的計量器具,而表面上符合要求而實際不符各要求的情況下,也必然會產生附加的系統誤差。

　　(2)檢測孔板裝置的幾何參數D和d時,通常是把D和d作為一個等精度直接測量的隨機變量,得到一列測量數據后,取其算術平均值作為測量值。其單次測量的標準偏差與所選用的量具本身最大誤差三分之一的平方和的平方根便為σd(或σD)值,這里把“最大誤差”按服從正態分布的隨機誤差對待的。而量具的最大誤差不可避免的會有上級標準傳遞時系統誤差成份,則用它測量D或d的測量結果,造成系統誤差也是必然的。

　　(3)差壓ΔP值的誤差,由差壓計(或差壓變送器)的準確度為前提條件進行估算,而其準確度是用引用誤差表示的。引用誤差的定義為差壓計(或差壓變送器)的最大示值誤差與差壓計(或差壓變送器)測量上限之比的百分數。其示值誤差(ΔP示-ΔP示)為即有大小,又有方向的恒定系統誤差。而ΔP示是由標準器傳遞時所復現的標準差壓值。該差壓值在由上一級標準傳遞時,也不可避免存在系統誤差。至于流體密度ρ的誤差主要取決于壓力P的溫度t的測量誤差。而壓力P和溫度測量存在系統誤差的可能性就大了,這是容易理解的。再者經分離標定合格的各部分組裝后,是否真正符合安裝要求,也常不被人們所重視。這種安裝與設計的偏離也會造成系統誤差,即使分離標定合格,安裝符合要求,但是使用時,介質通過安置后,由于介質的各種物理、化學作用也將會改變裝置的技術狀態。因此在孔板裝置的應用中,系統誤差是不可避免的。應探求一種即能估算不確定度,又能發現和消除系統誤差的新方法。

　　3　在線標定方法的探討

　　在華北油田向北京輸送天然氣的計量時,為了發現和消除孔板裝置的系統誤差,保證其準確度,首先進行了在線標定的實驗,并取得了較為滿意的結果。

　　在線標定的原理如圖1所示。選擇經過精心標定,準確度不低于±0。5%的音速文丘利噴嘴(圓柱形喉部)作為流量標準裝置,與孔板裝置串連而成。標定時關閉閥門1開啟閥門2和閥門3,使天然氣在恒流條件下先經噴嘴后流經孔板,在保證噴嘴入、出口的壓力比P0/P1≤(0.85~0.95)的前提下,同步讀取P、T、P1、T1和ΔP之值,并在噴嘴上游測取樣分析組合,如此重復六次,就可計算出在該流量下孔板裝置引用流量系數的測量值K′0,對于確定的孔板裝置、確定的介質和確定的流動狀態來說K′0是一個常數,這時孔板裝置體積流量公式為:

　　式中,ΔP為差壓;P1為絕對壓力;T1為絕對溫度。

　　設孔板裝置引用流量系數的理論計算值為K。則

　　式中,α為孔板的流量系數;G為氣體相對密度;Z為標定狀態下的氣體壓縮因子;d2為孔板開孔直徑;ε為膨漲系數。

　　為求K′0,把孔板與噴嘴裝置的體積流量方程聯立求解可得到:

　　式中,k為噴嘴的流量系數;p和T分別為噴嘴前滯止絕對壓力和熱力學溫度;ρ0為天然氣的標準密度。

　　在同一流量下可得到6個引用流量系數,然后調整流量值,便可得到其它流量下的相同個數引用流量系數。

　　3·2　孔板裝置誤差的評定方法

　　(1)孔板裝置隨機誤差的評定

　　任一流量標定點下的隨機誤差(用極限誤差表示)為:

　　式中,δ0為音速噴嘴裝置準確度;δ1為同一流量下引用流量系數的重復性誤差為引用流量系數測量值的單次流量標準差;ta為t分布量因子,由其自由度和選定的顯著度確定;k1為同一流量下,引用流量系數的算術平均值。

　　(2)孔板裝置系統誤差E的評定

　　3·3　系統誤差E的消除或修正

　　在孔板裝置的流量范圍內,分別用相應流量下,標定得到的引用流量系數代替孔板體積流量公式中的K0,就可消除系統誤差E。

　　3·4　標定結果

　　3·5　關于音速文利噴嘴裝置的幾點說明

　　為保證標定孔板裝置的需要,除對構成音速文丘利噴嘴裝置一次裝置應進行精心標定外,還應注意以下幾點:

　　(1)其臨界流函數和流出系數,應分別由下式確定:

　　(2)壓力P的測量選用0·25級的標準壓力表,對其示值應用下式進行修證:

　　(3)溫度測量選用分度值為0·1度的溫度計,且對其示值用下式修證:

　　這樣便可消除噴嘴裝置在使用狀態下可能存在系統誤差,保證其準確度不低于0·5%。

　　標準孔板應用時系統誤差的存在是不可避免的。用音速文丘利噴嘴作為流量標準裝置在線標定孔板裝置,是發現和消除系統誤差的可行且有效方法。