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多台表串检法气体流量标准装置研究

2016-5-17 16:52:39  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

一、前言

目前,在国内大量使用的气体流量标准装置是基于音速喷嘴法或标准表法工作原理,检定流量计时只能一次检定一台(家用燃气表检定装置除外),而国内早期的气体流量标准装置,多数设备落后陈旧,故障频繁,自动化程度不高,不能实现多台表检定。为了改善以往装置存在的不足,拟设计建立新型的音速喷嘴法气体流量标准装置,采用先进的计算机控制技术,全面克服上述缺陷,流量范围进一步拓宽,实现多台容积式流量计的检定,可以大大提高检定效率。

二、设计原则

1.符合规范性:以相关国家标准、检定规程为依据,严格按照规范要求进行设计。

2.技术先进性:采用先进的影像识别技术、计算机控制技术和可编程控制技术,采用流体缓冲手段实现容积式流量计的多台串联检定。

3.经济合理性:通过优化系统设计,使用性能稳定的设备和可靠的控制技术,选择合理的制造工艺,力求装置造价适当合理。

4.简洁实用性:标准装置不追求大而全,坚持实用为主的方针,流量范围设置合理,覆盖常规流量仪表,装置结构布局合理紧凑,实现人性化操作。

三、设计依据

1.JJG577-2012《膜式燃气表检定规程》

2.JJG633-2005《气体容积式流量计检定规程》

3.JJG1037-2008《气体涡轮流量计检定规程》

4.JJG643-2003《标准表法流量标准装置检定规程》

5.JJG620-2008《临界流文丘里喷嘴检定规程》

四、检定系统设计参数

建立装置的主要目的是方便快捷地满足流量表检定需要,主要用于检定商用皮膜表和气体腰轮流量计和涡轮流量计,其主要技术指标如下:

(1)流量范围:(0.06~650)m3/h。

(2)装置不确定度:Urel≤0.5%(k=2)。

(3)装置工作环境条件:环境温度:-20℃~50℃,湿度:20%RH~70%RH。

(4)被检计量仪表

①管道规格设置:DN20、DN25、DN40、DN50、DN80、DN100。

②适用检定表型:G6~G100商用皮膜表,G16~G250气体腰轮流量计,DN80~DN100涡轮流量计。

(5)被检表安装方式:气动夹表,可实现1~5台表(皮膜表、腰轮表)串检,单台涡轮流量计检定。

(6)被检表自动采集或人工读数置入,自动数据处理、记录保存、证书报告打印、数据查询。

五、设计方案

1.工作原理

装置采用音速喷嘴作为标准器,通过同步测量音速喷嘴和被检表通过的气体量,来确定仪表的计量特性。根据气体动力学原理,当气体通过音速喷嘴时,喷嘴上、下游气流压力比达到某一特定数值的条件下,在喷嘴喉部形成临界流状态,气流达到最大速度(音速)。流过喷嘴的气体质量流量也达到最大值qm。此时qm只与喷嘴入口处的滞止压力和温度有关,而不受其下游状态变化的影响。流经音速喷嘴的质量流量qm可按下式计算:

 

缺插图!

式中:qm——实际条件下的质量流量;A*——音速喷嘴喉部的截面积;C——音速喷嘴流出系数;C*——实际气体的临界流函数;P0——喷嘴前气体绝对滞止压力;T0——喷嘴前气体绝对滞止温度;RM——气体常数。

2.系统构成

本装置由标准器及控制系统、被检表管路系统、气源设备、计算机测控系统、辅助系统等部分构成。

3.标准器

(1)喷嘴规格

采用临界流文丘里喷嘴作主标准器,所需配置的喷嘴规格(单位:m3/h)为0.06、0.1、0.25、0.40、1、2、4、8、16、32、64、128、256、256。

每种规格各1台,共14台临界流文丘里喷嘴,可以满足G6、G10、G16、G25、G40、G65、G100等规格的商用膜式燃气表检定所规定的流量点(qmin、0.2qmax、qmax),也可以满足G16、G25、G40、G65、G100、G160、G250等规格的气体腰轮流量计检定所规定的流量点(qmin、qt、qmax),还可以满足DN80~DN100涡轮流量计规定流量点的检定。

(2)气源设备

装置采用负压法进行检定,鉴于流量范围较大,可以考虑使用两台真空泵。小流量段使用德国进口BECKER系列VT4.40小型无油旋片式真空泵,参数如下:抽气速度:40m3/h;极限真空:15kPa;电机功率:1.25kW。

大流量段选用西门子NASH_ELMO进口2BH1系列2BH1840-7JH27中型气环真空泵,参数如下:抽气速度:900m3/h;极限真空:18kPa;电机功率:7.5kW。

(3)被检表管路系统

管路系统包括实验管道、阀门、滞止容器、过滤器、缓冲罐、夹表工作台等。为节约空间,音速喷嘴采用立式安装布置,被检表段为平面布置。

①管道:全部使用不锈钢管道。被检表段与汇管等下游设备之间采用软管连接,减少震动传递。

②阀门:使用电动蝶阀和电动流量调节阀。

③被检表段结构设计:为方便使用,共设置5路被检表管路,分别为:

管路1:DN20、DN25两个口径共用一路,管道设计为DN25,实施气动夹表,进行气体腰轮流量计的1~5台表串联检定。

管路2:DN40、DN50两个口径共用一路,管道设计为DN50,实施气动夹表,进行气体腰轮流量计的1~5台表串联检定。

管路3:DN80、DN100两个口径共用一路,管道设计为DN100,实施气动夹表,气动夹表及变径,进行气体腰轮流量计的1~5台表串联检定,还可以进行涡轮流量计的单台表检定。

管路4:实现G6~G25商用皮膜表的1~5台表串联检定,同时需要实现气动夹表。

管路5:实现G40~G100商用皮膜表的单台表检定,被检表采用手动连接。

腰轮流量计采用轨道气动夹表,可以实现多台或单台检定;膜式燃气表采用多工位夹表台,可以实现单台或多台检定。

(4)计算机测控系统

流量信号采集包括标准器、被检表流量信号的采集,可采集各种流量计输出的(4~20)mA电流信号、0~5V的脉冲信号、光电信号等。没有信号输出的被检表应采用数码摄像的方法进行采集,人工置入。各压力信号测量采用罗斯蒙特的3051系列绝对压力变送器,各温度信号测量采用罗斯蒙特644系列温度变送器,由12~16位A/D变换模拟量采集器采集温变、压变输出的(4~20)mA电流信号,准确测量环境参量,满足流量计所需的温度、压力补偿。PLC采用SIEMENS或OMRON可编程控制器,配置5台被检表脉冲信号输入接口、7路温度变送器信号输入接口、7路压力变送器信号输入接口。根据相应检定规程要求,实现上述各类仪表的检定,可以实现定时、定脉冲或定体积等几种检定方法,可以实现一台或多台同一规格被检表的检定,流量自动调节,同时实现自动数据处理。

主界面的系统流程图可显示测量过程、管路系统中各点的流量、温度、压力、脉冲数值、时间等参数。可实时动画显示测量、控制过程,同时显示、打印数据图表,系统具备提示功能及错误报警功能,以及打印输出和测试结果输出、存储功能。软件具有全自动检定和单点单次检定功能;可选择任意一组检定数据进行重新检定并以新数据覆盖旧数据。能自动生成流量计检定计算表和标定曲线图,具有流量计标定历史数据存储功能,能快速查询历史标定数据、曲线图等。具有手动和自动(微机)操作兼容功能,自动和手动系统能独立工作,具有证书报告打印及查询功能。

4.装置不确定度评定

(1)标准不确定度分量

包括流出系数的标准不确定度u(Cd),滞止压力引入的标准不确定度u(P0),滞止温度引入的标准不确定度u(T0),空气气体常数引入的标准不确定度u(R),临界流函数引入的标准不确定度u(C*),空气压缩因子引入的标准不确定度u(Zn),流量计处的压力测量引入的测量不确定度u(Pn),测量流量计处的温度测量引入的不确定度u(Tn),计时器引入的标准不确定度u(t)。其标准不确定度一览表如表1所示。

 

缺插图!

表1 不确定度一览表

(2)合成标准不确定度

 

缺插图!

(3)扩展不确定度

Urel=0.24%(k=2)

六、实验过程及数据分析

对已建成的装置,需要进行系统计量性能的试验验证,以确保检定结果的准确可靠。根据检定规程要求,分别对不同的被检仪表规格品种进行检定,试验包括以下3种情况,分别为各管路仪表比对检定、不同表位的比对试验、装置重复性试验、装置稳定性考核。

计算公式分别为

比对时的En值:

重复性:

注:DN25、DN50两路表位设置为气体入口侧为1表位,依次为2、3、4、5共5个表位;DN100管路表位设置为气体入口侧为2表位,依次为3、4、5共4个表位;其中1位是涡轮流量计安装位置。

1.各管路仪表比对检定

通过DN25和DN50气体腰轮流量计检定,DN80和DN100气体腰轮流量计检定,G6和G16膜式燃气表检定,其实验结果显示,各被检表管路在检定时,未出现异常,被检表的检定结果与原厂检定结果未出现较大差异,所有检定结果的判定均为满意,说明标准器和被检表侧的各个参数,均处于正常工作状态。

2.不同表位的比对试验

通过DN25、DN50、DN80气体腰轮流量计比对检定,检定结果均为满意,可以判定检定系统工作正常。

3.装置重复性试验

通过DN50气体腰轮流量计检定,其重复性试验结果显示均符合相关要求。

4.装置稳定性考核

通过在检定流量点0.6qmax进行稳定性试验,其结果显示稳定性符合要求。

检定装置的重复性试验和稳定性考核均正常,满足计量标准计量特性要求,表明系统稳定可靠,可以作为计量标准开展量值传递工作。

七、结果验证

通过各种形式的试验,包括单路比对试验、换位比对试验、重复性试验、稳定性试验等,可以判定,该装置计量准确,系统稳定可靠,符合计量标准建标考核要求,可以开展多台串检或单台检定。

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