VIP园地
   
计量法规
   
  OIML国际建议
   
  国家计量检定规程目录
   
  国家标准
   
  中华人民共和国计量法
   
  部门、地方计量检定规程目录
   
   
 
 
相关网站
 
 
 技术论文

气体流量计的干式检定

 

荷兰G.de,Boer等

 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:
  l、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,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INSTROMET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。


图5 1995年和1997年对同一台12 in Q. Sonic超声流量计检定所得到的两条曲线


六、干检的不确定度


  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,--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:469.27 mm
  传感器安装管口基准点定义为:
    角度:60o
    x:101.60 mm
    y:293.29 mm
  我们估算所得到的参数值的不确定度应满足:
    角度:±0.05o
    x: 土0.l mm
    y :土0.1 mm
  关于内径的不确定度,我们认为±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:±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:
                               (6)
式中: D--流量计壳体内径;
    C--气体中的声速;
    --声道倾斜角度;
    δt--时间差测量中的误差;
    δv--被测气体流速的误差。
  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/s
    D=0.4 m
    =60o
  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

  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K±0.3%;
  表体几何形状闭(RMS)±0.2%。


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:
              
  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8~11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。


图8 各种规格流量计的调整量的频率分布

图9 12 in流量计调整量的频率分布

图10 16 in流量计调整量的频率分布

图11 20 in和24 in流量计调整量的频率分布

图12 调整前6个16 in流量计的误差曲线

图 13 一组 20 in流量计的调整量


  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。

|

 

 

 
| 首 页 | 常用图表 | 网站建设 | 网站地图 | 关于我们 | 请您留言 | 联系方式
Copyright © 2001-2008 Chinaflow.com.cn. All Right Server.
Tel: 010-64291994 62450161 Fax: 010-64291994 62450161 手机:13693121531