气体流量计的干式检定

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1、气体流量计的干式检定荷兰G.de, Boer等摘要：目前，大多数欧洲国家用于财务核算和贸易输送计量的气体涡轮流量计和新型的气体超声流量计通常是在测试 装置上对照计量标准或标准流量计进行检定。由于在标准装置上进行检定存在实际操作上的缺点，检定成本高且只有少数 几个标准装置可以利用，因此流量计检定的另一种方法具有一定优势。对孔板流量计，干式检定的实践早已很好地确定， 即孔板流量计的检定可基于对孔板几何尺寸和安装条件的检验以及对二次表（显示）仪表功能的检验。虽然气体涡轮流量 计的实流检定还是必要的，但气体超声流量计却可以像孔板那样采用干式检定。本文介绍了有关变量相对于流量计精度的 敏感度分析，它可以

2、作为采用气体超声流量计干式检定方法的基础。文中还介绍了进一步的测试结果，表明了气体超声 流量计干式检定方法的可行性。一、概述气体超声流量计，特别是多声道的气体超声流量计，在天然气贸易输送计量中已愈来愈多地为人门所接受。对于这些 应用场合，对流量仪表的校准或检定通常是一种法制要求，或是根据买卖双方之间合同而提出的一种要求。在理想情况下, 这种检定或校准是将流量计与一个计量标准或参考标准进行比对，所采用的标准对国家或国际标准溯源性是必要的先决条 件。遗憾的是，那种能对大流量气体进行控制并且可利用标准流量计进行精确测量的装置实在是太少了，其运行费用也很 昂贵。为了进行校准或检定，必须将流量计从管道上

3、拆下来，然后再送往标准装置，这对于操作者来说是一件很麻烦的事。 在检定费用本身已经很高的情况下，操作者还必须面对拆卸、运输这些流量计以及生产装置停车等许多附加开支。特别是 大口径气体流量计的检定测试装置的能力可能对其大流量的测试有所限制，在一年中很短的时间（比如几个月）内进行。 在标准装置上检定流量计的优点在于流量计所有者能得到详细说明流量计准确度的计量合格证书，并能对流量计进行调整， 以减少其相对于检定装置的校准测量误差或偏差。然而，如果考虑巨额的代价及操作上的缺点，那种不要求把流量计送往检定装置就能进行校准或检定的想法是极具吸 引力的。对于孔板流量计就已很好地确立了类似的实践方法，孔板流量

4、计的检定就是根据对其几何尺寸和安装条件的检查 及对变送器及显示仪表功能的检查而进行的。这种方法已得到了世界范围的认可。二、气体超声流量计的原理气体超声流量计的原理如图1所示。七顺 C + Vmcos式中:L-声道长度；C在被测介质（气体）中的声速；Vm-流动介质（气体）的流速；被测介质流动方向的矢量与声道之间的夹角。（2）可以推导出计算被测气体流速的表达式:Vm=2 cos p由式（1）和式值得注意的是,温度和气体组分等）被测气体中的声速在表达式中被消掉了，这就意味着被测气体流速的测量与被测气体的性质（如压力、 无关。图1气体超声流量计的工作原理在流体管道中安装有2个能发送和接收超声脉冲的传感

5、器，其安装方式使得一个传感器发出的超声脉冲能够被另一个 传感器接收，从而形成声道。两个传感器轮流发射和接收脉冲，超声脉冲相对于气体以声速传播。沿声道顺流传播的超声 脉冲的速度因被测气体流速在声道上的投影（与其方向相同）而有所增加。而沿声道逆流传播的超声脉冲的速度因被测气 体流速在声道上的投影（与之方向相反）而有所减少。这样就得到了超声脉冲在顺流和逆流方向上的传播时间：L三、用单声道流量计测量流量若要测量被测气体的体积流量，需要被测气体的流速与管道横截面积相乘。当气体流速在整个横截面上都相同（即具 有均匀的速度分布）时，用上述方法计算得到流量准确值。然而，由于实际情况并非如此，这就需要引入一个与

6、速度分布 形状有关的系数K进行修正。B图2速度分布剖面的修正系数Vm表示由超声流量计测得的被测气体的平均速度。这是沿声程平均的线性加权的气体流速。由此可以得出计算气体流 量的表达式：式中：A管道横截面积；K速度分布剖面的修正系数。通过检索文献和自行研究，INSTROMET建立起了雷诺系数（Re）与速度分布修正系数K之间的关系曲线，如图3所示。该曲线适用于只有一个通过圆形管道中心声道的声道流量计。由于实际情况不同，速度分布可能会表现出一定的差异, 从而导致速度分布修正系数K的不确定度。这一不确定度可以根据在大量测试中所得到的剩余误差（如图4所示）进行估 计。从该关系曲线中可以看出，对单声道流量计

7、雷诺修正系数不确定度的实际估计值约为1%左右。图3雷诺数Re与速度分布修正系数的关系曲线1.5(密】墉賊侯弹10152025图4单声道超声流量计速度分布修正误差的曲线四、用多声道超声流量计测量流量Q珂佥&尺（盘一古）叩贸易输送中一般使用多声道流量计，其原因是因为单声道流量计速度分布修正系数的不确定度对贸易输送计量而言是 不可接受的。通过使用积分技术，多声道流量计能够用多声道数据提高速度分布修正的精确度。其在形式上可以用下式表 示：除了大括号里的部分表示为多个声道的积分外，该表达式与单声道流量计的表达式是一致的。式（5）中还包括有一个 乘数F,它表示一个修正系数，该修正系数一般默认为1。但为了使

8、流量计误差达到最小，还可以根据流量计的实流校准结 果，对这一系数进行调整。五、干式检定流量计的干式检定并不是其字面意义上的校准，这是因为这种方法不是根据与某一标准或基准相比对 来检查测量结果，并进行必要的调整，因而用检定一词显得较为恰当。与孔板的干检方法相类似，气体超声流量计干检方法的基础是：1、几何尺寸的检定；2、传播时间差；3、利用表格、公式或数学表达式建立气体流量与被测变量的关系式。对于气体超声流量计而言，有关的几何参数可以像孔板流量计那样测得很准确。而且，可以运用相当 简单的数学方法对几何量不确定度的影响进行全面的估计和分析。值得一提的是，利用当代最新的电子线路和高质量的石英晶体振荡器

9、，可以以等同于或优于差压变送 器的极好精度与稳定性进行时间的测量。有关INSTR0MET公司气体超声流量计基本稳定性的例子如图5所 示。图中示出两条误差曲线：一条是当新仪表初次使用时测得的，另一条是仪表在线使用约2年后测得的 根据实际应用的需要，只在流量测量范围内的小流量段对仪表进行了检定。图5数据表明，该仪表具 有很好的复现性。而在极低的流量情况下出现的较大变化（通常是随机的），也是正常和可以接受的。孔板流量计的流出系数和气体超声流量计的速度分布修正系数是以实验研究为基础来确定的。由INSTROMET公司生产的超声流量计具有一个不断增加的试验数据库，一些统计结果将在本文的后面提供。六、干检的

10、不确定度作为干式检定概念的一般基础，我们将探讨被测气体流量（体积或流量）的不确定度。用公式（5）可 以推出每一个独立参数或被测值的不确定度对被测流量总不确定度的影响。这一部分我们将要讨论这些独 立参数和被测值的影响。只有当根据流量检定结果对仪表的读数进行调整时，才选用参数F。基于大流量检定测试的经验，这 一参数在干检时应设为其默认值（1）。由于干检时参数F是一个常量，因而它不伴随有不确定度。这就可 能出现一种矛盾，因为根据实流检定结果，该变量必须被指定给一个不同于默认值的值。然而在实流检定 时，该参数修正了（补偿了）所有其它参数和变量引起的误差。本文所提供的数据是以超声流量计的实流 检定结果为

11、依据的。作为这些实流检定的结果，修正系数F的默认值得到了调整。由于修正系数F的变化 反映出当前生产过程导致的几何形状与尺寸参数的不确定度以及一些其它原因引起的不确定度，因而，这 一调整系数的频率分布成为校验其它未经实流检定的流量计的不确定度的有力工具。1速度分布修正系数的不确定度根据图4 中所提供的曲线，可以估计单声道流量计的雷诺修正系数的不确定度为1.0%。根据 INSTROMET公司对多声道流量计和声道配置的研究及测试结果，我们估计5声道流量计的雷诺修正系数的 不确定度约为 0.3%，而对于 3 声道流量计其不确定度约为 0.4%。2表体几何形状和尺寸变化引起的不确定度就表体几何形状和尺寸

12、而言，从公式（5）中可以看出，对超声流量计的精确度有影响的参数有：L- 声道长度，眇一声道倾斜角度，A管道横截面积。声道参数与超声传感器的前侧位置及发送、接收超声脉冲的表面有关。这一位置的确定要借助于传感 器的安装管口（图6中的C）,尤其是管口表面的中心点（图6中的3）（用作基准点）来完成。为了估算声道参数的不确定度，我们需要看一下仪表的生产过程。为了简便起见，我们将以16 in表 体为例看一看单反射声道的情况。图6是固定在数控机床（A）工作台上的一个表体（B）。开始时表体的定位使得其中心位置（1）与机 床的基准点（2） 其坐标为（0， 0） 在同一直线上。图 6 表体加工装置为了对表体进行加

13、工，尤其是要将安装管口 C加工到所需要的尺寸，把表体旋转一个角度以坐标（X, y）定义和加工安装管口前侧的基准点（3）。x表示工作的平移，y表示安装管口表面相对于机床基准点（0, 0）的位置。这些加工参数需要在加工操作开始之前进行计算，在每台表体的加工过程中，还要对其参数进行检查。 其结果会写入机加工车间所提供的合格证书里。由一个独立机构颁发的对其数据的准确度和相对于国家标 准的可溯源性的合格证是可选的。根据所报告的加工参数，可以计算出实际的声道长度和角度。以一个16 in Q. Sonic为例，适用于它的数据有：公称口径：406.4 mm对单反射声道：公称声道角度： 60o公称声道长度： 4

14、69.27 mm传感器安装管口基准点定义为：角度： 60ox： 101.60 mmy： 293.29 mm我们估算所得到的参数值的不确定度应满足：角度：0.05。x： 土 0.l mmy ：土 0.1 mm关于内径的不确定度，我们认为土 0.2 mm应为实际值，这取决于加工工艺，如果有必要，也能对其加 以改善。根据公式（5），可以计算出每一个参数的不确定度的影响：声道长度 L： 0.06%声道角度巴0.15%横截面积 A：0.1%当把所有这些因素加起来时我们得到了最差的情况，单由体积几何形状和尺寸引起的不确定度就达到 0.3%。但是，由于这些影响中每一个都是由独立误差源引起的，根据均方根法则求

15、出总误差为0.2%更为可取。3时间测量引起的不确定度由传播时间测量引起的不确定度可以通过对零读数误差和增益误差的辨认来进行评估。 零点误差与传播时间测量的分辨率和传播时间测量的小偏移量有关。这使得即使在气体流速为零时可 能引进一个传播时间差。由公式（4）可以推出如下适用的表达式：Sv(6)式中： D-流量计壳体内径；C-气体中的声速； 诃一声道倾斜角度;6 时间差测量中的误差；t6 -被测气体流速的误差。v传播时间测量的最大不确定度为10 ns。在本例中（16 in表体）采用如下数值:C=400 m/sD=0.4 m矽=60。经过计算，最终不确定度为1.6 mm/s （气体流速）。在超声流量计

16、所处理的气体流速范围内（最大气体流速30 m/s），该误差值可以被转化为一个相对值 （百分数）。图7 提供了作为气体流速函数的绝对误差（气速误差用 m/s 表示）和相对误差（用%表示）的 曲线图。为了使其也适用于更小口径的仪表，图中的绝对气速误差值被取为 5 mm/s。图中清楚地表明，低流速时传播时间测量的不确定度占据了支配地位。这就限制了仪表的最低工作点， 而对常规工作范围没有太大的影响。传播时间测量与时钟信号有关。不管时钟是快是慢都会对被测气体的流速有一个成比例的影响。然而， 由于时钟是具有高度稳定性的石英时钟（准确度 5 ppm 或0.005%）这一影响可以忽略不计。4流量计总的不确定度

17、在前面的叙述中已经说明对超声流量计总的不确定度有重要影响的因素有速度分布剖面修正系数 K0.3%；表体几何形状闭（ RMS）0.2%。-11|11 -fi iT?P510152025 ：迫气体流速（m/s）图 7 由于传播时间不确定度偏移所引起的绝对误差和相对误差两个不确定度合成的最差情况是产生 0.5%的总不确定度。由于这些不确定度源是相互独立的，我们可以用均方根法估计总的不确定度，通过计算，得到总的不确定度为：0.护 =0_ 3635这个数与最好成绩的流量检定装置的不确定度（0.25%0.3%）处于同一个数量级。七、流量检定结果为了把流量计误差集中在零轴线左右，有必要对流量计进行调整，我们

18、根据大量的检定结果计算出了 那些需要调整的量的频率分布。频率分布情况如图 811所示。由这些曲线进一步证实了所计算的不确定度约为0.5%。图8是所有口径流量计调整量的频率分布。 上面表示调整量频率分布的标绘图（图 9、10、11）对于各种公称口径而言都是恒定的。这说明利用 在被测公称口径中得出的计算方法，干检的概念也可以被外推到更大口径的流量计。主要是几何形状和尺寸在决定着超声流量计的准确度和不确定度这一事实将在图12和图13中得到进 一步的展示。这两个曲线图适用于在一次生产中得到的一批相同的流量计。图 12 是 5 声道超声流量计未做任何调整前得到的检定结果。表体（测量管段）是同一批生产的产

19、品。 电路和变送器是从本公司产品中随机选取与测量管段组装在一起的。调整壘（%）图 8 各种规格流量计的调整量的频率分布调整壘(%)图 9 12 in 流量计调整量的频率分布2016调整壘(%)图 10 16 in 流量计调整量的频率分布-1 -0.8-0. 6-0. 4-0. 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1调整X %)图 11 20 in 和 24 in 流量计调整量的频率分布020004000600080001000012000图 12 调整前 6 个 16 in 流量计的误差曲线3 2 1 Q 1.2 o.o.u.O.G.3卿圖理-0.31图 13 一组 20 in 流量计的调

20、整量图 12 、13 说明加工允许公差引起的各单个流量计平均误差分布的范围，和我们以前计算得出的 RMS 值 0.2%是一致的。八、干检方法为了实现超声流量计的干检概念，INSTR0MER公司已经开发出一套完备的干检方法。在这一部分我们 将讨论这一方法的实质。在前面已经说明表体的几何形状和尺寸以及雷诺（剖面修正）系数是有关的不确定度的来源。 表体的几何形状和尺寸反映了声道的几何尺寸，并且是用生产测量管段的机加工车间所提供的记录中 的数据计算出来的。为了完成超声气体流量计的检定，当把电路部分和超声传感器装入表体时，还要对其进行功能测试。 这一测试将校验它是否能够很好地完成所有功能，如：发射、接收

21、和检测超声脉冲以及通过检查石英时钟 的频率检查传播时间测量的准确度。进一步的功能测试还包括根据气体中测的声速进行零流量测试和检查。为了完成这些测试，必须为超 声气体流量计配备盲法兰，并用压缩空气（或氮）对其加压。1零点检测由于流量计配备了盲法兰，故测量管内不会有任何气体流动，而且所有声道上测得的气速都应该为零 只要流量计真能够被隔离，那么这一测试在安装实际管线中的超声气体流量计就能进行。但是根据我们的 经验，隔离法的性能并不总是很好的，而且很小的泄漏量也能产生虽小但可测量的气体流量，所以如果进 行在线测试，一定要特别注意避免上述因素引起的误导结果，因为温度引起的流体对流也很容易出现并被 误以为

22、是气体流动。2声速检查声速检查既可以作为功能测试进行，也可以作为校验的一项内容。当想要对流量计进行实流检定时， 只需进行功能测试就足够了，而且这种功能测试用压缩空气（或氮气）就可完成。当进行校准时，需要用 已知组分的气体对流量计进行测试，在实际情况下往往选择氮气。为了对现有压力和温度下期望得到的声 速进行精确的计算，还需要进一步安装准确的温度和压力测量装置。要达到热平衡状态还需要有足够的时 间。观察到的声速与声速的期望值相比较会暴露声道长度和传播时间中的某种误差，然而由于已经在测试 前检查了石英时钟的频率，后者是极不可能的。 单声道测得的声速可能会略有差异，但其平均值将非常接近期望值。一般情况下，测量值与期望值之间的差异接近于0.1%。这一测试也可以在实际管线中进行，但是关键的是要知道测试时气体的精确组分， 同时还必须进行精确的温度和压力测量。九、结 论如前所述，干检的概念可以像检定孔板流量计那样被应用到超声流量计的检定中。根据本文中对不确 定度的分析以及实流检定所提供的结果证明，该不确定度与最好结果的检定装置的不确定度处同一个数量 级。我们认为有理由宣布，为了确保流量计具有所规定的准确度，将干式检定的概念应用到超声流量计中 是切实可行的。根据已经得到的测试结果，干检的概念也可以外推到更大口径的超声流量计。