標(biāo)準(zhǔn)渦街流量傳感器組合比較法氣體流量裝置的研究和討論

　　關(guān)鍵字：渦街流量 傳感器 氣體流量
　　
　　1.引言
　　
　　近年來(lái)，用標(biāo)準(zhǔn)渦街流量傳感器（以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)傳感器）研究檢測(cè)氣體大流量的方法在國(guó)內(nèi)還是，初期的檢測(cè)裝置均為原始標(biāo)準(zhǔn)裝置，建設(shè)投資昂貴技術(shù)復(fù)雜，檢測(cè)效率的，通常又是計(jì)量系統(tǒng)、使用單位和儀表制造行業(yè)*的重大設(shè)備。
　　
　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，并由于標(biāo)準(zhǔn)傳感器法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可以節(jié)省大量投資和提高標(biāo)定效率。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，已獲得廣泛的應(yīng)用，如建立同等能力的流量裝置，標(biāo)準(zhǔn)傳感器法比原始基準(zhǔn)法可節(jié)省投資約60%，建設(shè)周期可縮短一半，而檢測(cè)效率可提高50%~80%，在國(guó)內(nèi)開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)傳感器法流量檢測(cè)裝置研究，建立和完善有關(guān)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)實(shí)踐，已成為當(dāng)前技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上迫切需要解決的問(wèn)題。
　　
　　2用標(biāo)準(zhǔn)傳感器法建立裝置簡(jiǎn)介
　　
　　2．1研究裝置的指標(biāo)
　　
　　本裝置的計(jì)量方式是用標(biāo)準(zhǔn)傳感器組合比較法，研究檢測(cè)被檢傳感器的口徑DN80~300mm；流量范圍Qv=50~7500mm3/h；準(zhǔn)確度±0.5%。
　　
　　2．2裝置的基本結(jié)構(gòu)（如圖1所示）　　（1）實(shí)驗(yàn)管路，該裝置由8臺(tái)口徑為DN=50~150mm的標(biāo)準(zhǔn)傳感器串，并聯(lián)組合與被檢測(cè)的大口徑傳感器（DN=80~300mm）比較。試驗(yàn)管路按對(duì)角線方向平行排列，其目的是節(jié)省原材料，降低了造價(jià)，又恰好滿足各種口徑傳感器前直段的要求（根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ZBN12005-1989或規(guī)程JJG643-1994）標(biāo)準(zhǔn)傳感器前直管段長(zhǎng)大于50DN；被檢測(cè)傳感器前直管段長(zhǎng)大于20DN；使阻力損失降到zui小值。
　　
　　（2）氣源，氣源是由二臺(tái)9-19型高壓離心風(fēng)機(jī)和一臺(tái)LG300×200-1型羅茨風(fēng)機(jī)供給。其中二臺(tái)同型號(hào)的離心機(jī)，通過(guò)控制電動(dòng)閥門(mén)根據(jù)流量大小的需要，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行，以滿足不同流量和不同壓力的要求。
　　
　　（3）標(biāo)準(zhǔn)傳感器：該裝置選用了8臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)傳感器，均為應(yīng)力式渦街傳感器，該儀表的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)可動(dòng)部件具有較高的重復(fù)性，有較強(qiáng)的耐過(guò)載和耐沖擊性。傳感器本體用不銹鋼具有耐磨損和抗腐蝕性能，該傳感器具有很高的穩(wěn)定性。另外這類(lèi)傳感器的儀表系數(shù)不受或很少受被測(cè)介質(zhì)物性參數(shù)的影響，所以作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器使用時(shí)，只要與被測(cè)料件基本一致就可以了。
　　
　　目前，我國(guó)的氣體渦街傳感器的標(biāo)準(zhǔn)度一般在0.5級(jí)~1級(jí)的水平上，從準(zhǔn)確度的水平上看，是無(wú)法作為0.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)傳感器使用的，但是這類(lèi)儀表的范圍度很寬，一般都在10：1~15：1左右，而且重復(fù)性很好，均在0.2%以內(nèi)，甚至于更高，如采用壓縮范圍度在定點(diǎn)標(biāo)定是提高準(zhǔn)確度的有效方法。我們?cè)隽舜罅康脑囼?yàn)研究工作，結(jié)果表明若范圍度壓縮到2：1或3：1以內(nèi)，在定點(diǎn)標(biāo)定均能滿足要求，因此，使用該傳感器標(biāo)準(zhǔn)，建立氣體流量裝置是可行的。
　　
　　（4）流量的分配：為覆蓋所有被檢測(cè)的渦街傳感器，經(jīng)反復(fù)進(jìn)行流通能力的試驗(yàn)，確定了標(biāo)準(zhǔn)傳感器的范圍度如表1。
　　　　1檢測(cè)原理及方法
　　
　　單臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)流量傳感器檢測(cè)被檢傳感器時(shí)，如圖2所示為單臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)渦街流量傳感器檢測(cè)系統(tǒng)。　　標(biāo)準(zhǔn)傳感器S與被檢測(cè)傳感器t串聯(lián)于同一管道中，在流動(dòng)穩(wěn)定的情況下，任何時(shí)刻流過(guò)兩臺(tái)傳感器的質(zhì)量流量qm都是相等的，在檢測(cè)介質(zhì)為空氣的情況下，如空氣在檢測(cè)過(guò)程中分成不變，將標(biāo)準(zhǔn)傳感器s與被檢測(cè)傳感器t的狀態(tài)換算到標(biāo)準(zhǔn)氣體狀態(tài)（即P0、T0、V0）
　　
　　PsVs/Ts=PtVt/Tt=P0V0/T0（1）
　　
　　Vt=（P0V0Tt）/（T0Pt）
　　
　　體積流量qvt=qv0[（P0Tt）/（T0Pt）]（2）
　　
　　qvs=qv0[（P0Ts）/（T0Ps）]
　　
　　所以qvt/qvs=（PsTt）/（PtTs）（3）
　　
　　又因標(biāo)準(zhǔn)傳感器的儀表系數(shù)Ks
　　
　　Ks=Ns/Vs=fs/qvsfs=qvs·Ks
　　
　　被檢測(cè)傳感器的儀表常數(shù)
　　
　　Kt=Nt/Vt=ft/qvtft=qvt·Kt
　　
　　所以
　　
　　Kt/Ks=（ftqvs）/（fs/qvt）=（Ntqvs）/（Nsqvt）（4）
　　
　　式中，qv——體積流量
　　
　　f——傳感器輸出頻率
　　
　　Ns——統(tǒng)一技術(shù)時(shí)間間隔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出脈沖數(shù)
　　
　　Nt——統(tǒng)一技術(shù)時(shí)間間隔內(nèi)被檢傳感器輸出脈沖數(shù)
　　
　　將式（3）代入式（4）得
　　
　　Kt/Ks=（NtPsTt）/（NsPtTs）
　　
　　Kt=[（NtPsTt）/（NsPtTs）]·Ks=kNKptKs（5）
　　
　　式中，Kpt——壓力溫度修正系數(shù)
　　
　　1并聯(lián)傳感器檢測(cè)系統(tǒng)
　　
　　圖3為并聯(lián)傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)，在檢測(cè)介質(zhì)為空氣的情況下，對(duì)于可壓縮流體，存在下列關(guān)系：　　
　　式中，ρt——被檢測(cè)傳感器前流體的密度
　　
　　qvt——被檢測(cè)傳感的體積流量
　　
　　qvsi——第i臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的體積流量
　　
　　ρsi——第i臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)傳感器前流體的密度　　對(duì)于可壓縮流體，存在如下關(guān)系　　將式（9）代入式（8）　　式中，Ki·Ksi——分別為被檢測(cè)傳感器和第i臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)傳感的儀表系數(shù)
　　
　　KρiTi——壓力溫度修正系數(shù)
　　
　　KNSi——同一計(jì)數(shù)時(shí)間間隔內(nèi)被檢測(cè)傳感器和第i臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)傳感器脈沖比
　　
　　1標(biāo)準(zhǔn)傳感器法裝置基本誤差的估算及其試驗(yàn)結(jié)果
　　
　　為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，我們采用定點(diǎn)使用的標(biāo)準(zhǔn)傳感器儀表系數(shù)的基本誤差，按照J(rèn)JG643-1994《標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程》的規(guī)定，對(duì)定點(diǎn)使用的標(biāo)準(zhǔn)表的基本誤差為：
　　
　　（1）單次測(cè)量極限誤差：
　　
　　Eri=±ta（σki/Ki）·（11）
　　
　　式中，Eri——第i個(gè)檢定點(diǎn)的檔次測(cè)量極限相對(duì)誤差
　　
　　σki——第i個(gè)檢定點(diǎn)儀表系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差
　　
　　Ki——第i個(gè)檢定點(diǎn)的平均儀表系數(shù)
　　
　　ta——置信度為95%時(shí)的t分布系數(shù)
　　
　　標(biāo)準(zhǔn)傳感器基本誤差：
　　
　　E=±（E2s+E2r）1/2（12）
　　
　　式中，E——標(biāo)準(zhǔn)傳感器的基本誤差
　　
　　Es——檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度
　　
　　Er——各檢測(cè)點(diǎn)單次測(cè)量極限相對(duì)誤差的zui大值
　　
　　（2）并聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的基本誤差
　　
　　式中，Ei——*臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的基本誤差
　　
　　qi——*臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的使用流量
　　
　　（3）標(biāo)準(zhǔn)傳感器裝置的基本誤差　　式中，E——標(biāo)準(zhǔn)傳感器的基本誤差
　　
　　E1——標(biāo)準(zhǔn)傳感器不帶配套儀表檢測(cè)時(shí)引起的流量附加誤差
　　
　　E2——標(biāo)準(zhǔn)傳感器和使用條件不同時(shí)引起的附加誤差
　　
　　（4）根據(jù)上述理論試驗(yàn)結(jié)果
　　
　　①由并聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)渦街流量傳感器檢測(cè)流量計(jì)的方案是可行的，由定點(diǎn)檢定可達(dá)到預(yù)期的目的，如流量分配試驗(yàn)匯總表中，各被檢測(cè)傳感器用標(biāo)準(zhǔn)傳感器實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　
　　②用標(biāo)準(zhǔn)表并聯(lián)法擴(kuò)大量限檢定被測(cè)傳感器，其溫度、壓力修正系數(shù)不超過(guò)0.15，對(duì)于0.5級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)表法*要求，并提供理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的依據(jù)（參閱壓力、溫度修正系數(shù)KPT不確定度試驗(yàn)匯總表第末欄）。
　　
　　③標(biāo)準(zhǔn)表的檢測(cè)
　　
　　用原始流量標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)裝置定點(diǎn)檢定標(biāo)準(zhǔn)表，其基本誤差均不超過(guò)±0.2%，符合標(biāo)準(zhǔn)表法裝置要求。
　　
　　④用低量限、高準(zhǔn)確度新的流量量值傳遞方法，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，解決大流量檢測(cè)，得到實(shí)驗(yàn)的證明，其途徑是可行的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是吻合的。
　　
　　（5）用標(biāo)準(zhǔn)渦街流量傳感器檢定流量計(jì)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表的安裝位置是隨標(biāo)準(zhǔn)表的類(lèi)型不同而有所差別，解決的方法：
　　
　　①采用不同類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)表，在用原始標(biāo)準(zhǔn)檢定時(shí)，應(yīng)作標(biāo)準(zhǔn)表安裝位置的試驗(yàn)，并確定安裝位置儀表系數(shù)的差別。
　　
　　②標(biāo)準(zhǔn)表在被檢表前、后兩個(gè)位置檢測(cè)的被檢表儀表系數(shù)的平均值作為被檢表的儀表系數(shù)。
　　
　　③用標(biāo)準(zhǔn)渦街傳感器作標(biāo)準(zhǔn)表時(shí)，其安裝位置應(yīng)在被檢表前（即上游）；用標(biāo)準(zhǔn)渦街流量計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)表時(shí)，其安裝位置應(yīng)在被檢表的后邊（即下游）。
　　
　　④試驗(yàn)結(jié)果表明無(wú)論上游局部阻力件是什么形式，速度式標(biāo)準(zhǔn)表前直管段均采用20DN（DN為直管段內(nèi)經(jīng)）為宜。
　　
　　（6）為消除標(biāo)準(zhǔn)表的系統(tǒng)誤差，標(biāo)準(zhǔn)表的檢定應(yīng)帶前后直管段的組合件及二次指示儀表。
　　
　　（7）標(biāo)準(zhǔn)表與被檢表的輸出頻率信號(hào)應(yīng)同步記錄，標(biāo)準(zhǔn)表累積的脈沖數(shù)的數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)被檢表的準(zhǔn)確度等級(jí)確定。
　　
　　（8）串聯(lián)檢測(cè)時(shí)，單次測(cè)量的極限相對(duì)誤差，（Er）max=0.14%，標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)傳感器的裝置準(zhǔn)確度Es=0.2%則E=（0.22+0.142）1/2=0.244%。
　　
　　（9）并聯(lián)檢測(cè)時(shí)測(cè)量的極限相對(duì)誤差的zui大值
　　
　　（Er）max=+0.31%;Es=0.2%
　　
　　則E=（0.22+0.32）1/2=0.37%。
　　
　　注：由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，由于篇幅所限，這里不便將數(shù)據(jù)一一列出，如需要可來(lái)信咨詢。
　　
　　因此，該裝置準(zhǔn)確度在±0.5%以內(nèi)，可滿足渦街流量傳感器的檢測(cè)要求。
　　
　　1用標(biāo)準(zhǔn)傳感器法裝置檢測(cè)被檢傳感器的誤差
　　
　　為便于分析我們做兩個(gè)假設(shè)，其一是并聯(lián)管路布置相對(duì)對(duì)稱，流量、壓力、溫度分配均勻；其二是并聯(lián)的傳感器口徑相同，儀表系數(shù)相等。
　　
　　上述兩條件在設(shè)計(jì)裝置時(shí)是可以滿足的，也就是說(shuō)被檢測(cè)的傳感器的儀表數(shù)Kt有：
　　
　　Kt=（1/n）Kpt·Kn·Ks（15）　　由此可以看出，典型的并統(tǒng)中，有n臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)傳感器并聯(lián)，檢測(cè)出的傳感器儀表系數(shù)的相對(duì)誤差僅由溫度修正系數(shù)、同一計(jì)數(shù)時(shí)間間隔內(nèi)被檢測(cè)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器脈沖比的系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)傳感器儀表系數(shù)三者相對(duì)誤差的1/n倍確定。至少被檢測(cè)傳感器的儀表系數(shù)相對(duì)誤差不會(huì)低于并聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)傳感器誤差大的那臺(tái)，下面就本裝置按單臺(tái)比較系統(tǒng)分析其誤差。
　　
　　由式（5）Kt=Ks·KN·KPT
　　
　　（dKt/Kt）=（dKs/Ks）+（dKn/Kn）+（dKPT/KPT）
　　
　　（1）標(biāo)準(zhǔn)傳感器儀表系數(shù)的相對(duì)誤差Es是由裝置上選用的范圍內(nèi)，由其基本誤差確定，按3的分析為Es=±0.14%。
　　
　　（2）脈沖比Kn的相對(duì)誤差En是以標(biāo)準(zhǔn)傳感器與被檢測(cè)傳感器中儀表系數(shù)較小的一臺(tái)2000個(gè)脈沖數(shù)的時(shí)間作為同步計(jì)數(shù)器的控制信號(hào)En=±0.05%。
　　
　　（3）溫度壓力修正系數(shù)KPT的相對(duì)誤差EPT由KPT=[（Pt+Pa）（ts+273.15）]/[（Ps+Pa）（tt+273.15）]得EKPT=[dPt/（Pt+Pa）]+[dPs（Ps+Pa）]+[dPt/（tt+173.15）]+[dPs/（tN+173.15）]
　　
　　試驗(yàn)中，選用分辨率為0.1℃的溫度計(jì)和0.2級(jí)的U型壓力計(jì)按表1的流量分配方案，每個(gè)口徑的被檢測(cè)的傳感器Qmin、0.5Qmax和Qmax三點(diǎn)分別進(jìn)行了溫度溫度變化率、壓力、壓力波動(dòng)及流通能力測(cè)試，然后按作出的每組數(shù)據(jù)計(jì)算出相應(yīng)的Ekpt來(lái)。計(jì)算Ekpt時(shí)考慮：
　　
　　①壓力波動(dòng)ΔP的影響取dP≥ΔP
　　
　　②2000個(gè)脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔內(nèi)溫度變化△t的變化影響取dt≥△P
　　
　　③溫度壓力測(cè)量誤差的影響取
　　
　　dP≥0.1,dPt≥2000×9.80665×0.2%=0.4Pa,dPs≥800×9.80665×0.2%=0.16Pa
　　
　　從測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果看EKPt≤0.147≈±0.2%。
　　
　　裝置檢測(cè)傳感器的儀表系數(shù)的基本誤差Et
　　
　　Et=（E2s+E2n+E2KPT+δ2）1/2=（0.142+0.052+0.2442）1/2=±0.35%
　　
　　因此可得出結(jié)論，用該裝置檢測(cè)0.5級(jí)表可滿足要求。