標準渦街流量傳感器組合比較法氣體流量裝置的研究和討論

　　關鍵字：渦街流量 傳感器 氣體流量
　　
　　1.引言
　　
　　近年來，用標準渦街流量傳感器（以下簡稱標準傳感器）研究檢測氣體大流量的方法在國內還是，初期的檢測裝置均為原始標準裝置，建設投資昂貴技術復雜，檢測效率的，通常又是計量系統、使用單位和儀表制造行業*的重大設備。
　　
　　隨著科學技術的發展，并由于標準傳感器法流量標準裝置可以節省大量投資和提高標定效率。在工業發達國家，已獲得廣泛的應用，如建立同等能力的流量裝置，標準傳感器法比原始基準法可節省投資約60%，建設周期可縮短一半，而檢測效率可提高50%~80%，在國內開展標準傳感器法流量檢測裝置研究，建立和完善有關的理論基礎和技術實踐，已成為當前技術和經濟上迫切需要解決的問題。
　　
　　2用標準傳感器法建立裝置簡介
　　
　　2．1研究裝置的指標
　　
　　本裝置的計量方式是用標準傳感器組合比較法，研究檢測被檢傳感器的口徑DN80~300mm；流量范圍Qv=50~7500mm3/h；準確度±0.5%。
　　
　　2．2裝置的基本結構（如圖1所示）　　（1）實驗管路，該裝置由8臺口徑為DN=50~150mm的標準傳感器串，并聯組合與被檢測的大口徑傳感器（DN=80~300mm）比較。試驗管路按對角線方向平行排列，其目的是節省原材料，降低了造價，又恰好滿足各種口徑傳感器前直段的要求（根據國家標準ZBN12005-1989或規程JJG643-1994）標準傳感器前直管段長大于50DN；被檢測傳感器前直管段長大于20DN；使阻力損失降到zui小值。
　　
　　（2）氣源，氣源是由二臺9-19型高壓離心風機和一臺LG300×200-1型羅茨風機供給。其中二臺同型號的離心機，通過控制電動閥門根據流量大小的需要，實現串聯或并聯運行，以滿足不同流量和不同壓力的要求。
　　
　　（3）標準傳感器：該裝置選用了8臺標準傳感器，均為應力式渦街傳感器，該儀表的優點是無可動部件具有較高的重復性，有較強的耐過載和耐沖擊性。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定性。另外這類傳感器的儀表系數不受或很少受被測介質物性參數的影響，所以作為標準傳感器使用時，只要與被測料件基本一致就可以了。
　　
　　目前，我國的氣體渦街傳感器的標準度一般在0.5級~1級的水平上，從準確度的水平上看，是無法作為0.5級標準傳感器使用的，但是這類儀表的范圍度很寬，一般都在10：1~15：1左右，而且重復性很好，均在0.2%以內，甚至于更高，如采用壓縮范圍度在定點標定是提高準確度的有效方法。我們曾做了大量的試驗研究工作，結果表明若范圍度壓縮到2：1或3：1以內，在定點標定均能滿足要求，因此，使用該傳感器標準，建立氣體流量裝置是可行的。
　　
　　（4）流量的分配：為覆蓋所有被檢測的渦街傳感器，經反復進行流通能力的試驗，確定了標準傳感器的范圍度如表1。
　　　　1檢測原理及方法
　　
　　單臺標準流量傳感器檢測被檢傳感器時，如圖2所示為單臺標準渦街流量傳感器檢測系統。　　標準傳感器S與被檢測傳感器t串聯于同一管道中，在流動穩定的情況下，任何時刻流過兩臺傳感器的質量流量qm都是相等的，在檢測介質為空氣的情況下，如空氣在檢測過程中分成不變，將標準傳感器s與被檢測傳感器t的狀態換算到標準氣體狀態（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）
　　
　　又因標準傳感器的儀表系數Ks
　　
　　Ks=Ns/Vs=fs/qvsfs=qvs·Ks
　　
　　被檢測傳感器的儀表常數
　　
　　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——統一技術時間間隔內標準傳感器輸出脈沖數
　　
　　Nt——統一技術時間間隔內被檢傳感器輸出脈沖數
　　
　　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
　　
　　1并聯傳感器檢測系統
　　
　　圖3為并聯傳感器的檢測系統，在檢測介質為空氣的情況下，對于可壓縮流體，存在下列關系：　　
　　式中，ρt——被檢測傳感器前流體的密度
　　
　　qvt——被檢測傳感的體積流量
　　
　　qvsi——第i臺標準傳感器的體積流量
　　
　　ρsi——第i臺標準傳感器前流體的密度　　對于可壓縮流體，存在如下關系　　將式（9）代入式（8）　　式中，Ki·Ksi——分別為被檢測傳感器和第i臺標準傳感的儀表系數
　　
　　KρiTi——壓力溫度修正系數
　　
　　KNSi——同一計數時間間隔內被檢測傳感器和第i臺標準傳感器脈沖比
　　
　　1標準傳感器法裝置基本誤差的估算及其試驗結果
　　
　　為了提高測量的準確度，我們采用定點使用的標準傳感器儀表系數的基本誤差，按照JJG643-1994《標準表法流量標準裝置檢定規程》的規定，對定點使用的標準表的基本誤差為：
　　
　　（1）單次測量極限誤差：
　　
　　Eri=±ta（σki/Ki）·（11）
　　
　　式中，Eri——第i個檢定點的檔次測量極限相對誤差
　　
　　σki——第i個檢定點儀表系數的標準偏差
　　
　　Ki——第i個檢定點的平均儀表系數
　　
　　ta——置信度為95%時的t分布系數
　　
　　標準傳感器基本誤差：
　　
　　E=±（E2s+E2r）1/2（12）
　　
　　式中，E——標準傳感器的基本誤差
　　
　　Es——檢測標準傳感器的流量標準裝置的準確度
　　
　　Er——各檢測點單次測量極限相對誤差的zui大值
　　
　　（2）并聯標準傳感器的基本誤差
　　
　　式中，Ei——*臺標準傳感器的基本誤差
　　
　　qi——*臺標準傳感器的使用流量
　　
　　（3）標準傳感器裝置的基本誤差　　式中，E——標準傳感器的基本誤差
　　
　　E1——標準傳感器不帶配套儀表檢測時引起的流量附加誤差
　　
　　E2——標準傳感器和使用條件不同時引起的附加誤差
　　
　　（4）根據上述理論試驗結果
　　
　　①由并聯標準渦街流量傳感器檢測流量計的方案是可行的，由定點檢定可達到預期的目的，如流量分配試驗匯總表中，各被檢測傳感器用標準傳感器實驗結果。
　　
　　②用標準表并聯法擴大量限檢定被測傳感器，其溫度、壓力修正系數不超過0.15，對于0.5級的標準表法*要求，并提供理論和實驗結果的依據（參閱壓力、溫度修正系數KPT不確定度試驗匯總表第末欄）。
　　
　　③標準表的檢測
　　
　　用原始流量標準檢測裝置定點檢定標準表，其基本誤差均不超過±0.2%，符合標準表法裝置要求。
　　
　　④用低量限、高準確度新的流量量值傳遞方法，通過理論計算和實驗結果，解決大流量檢測，得到實驗的證明，其途徑是可行的，實驗結果是吻合的。
　　
　　（5）用標準渦街流量傳感器檢定流量計時，標準表的安裝位置是隨標準表的類型不同而有所差別，解決的方法：
　　
　　①采用不同類型的標準表，在用原始標準檢定時，應作標準表安裝位置的試驗，并確定安裝位置儀表系數的差別。
　　
　　②標準表在被檢表前、后兩個位置檢測的被檢表儀表系數的平均值作為被檢表的儀表系數。
　　
　　③用標準渦街傳感器作標準表時，其安裝位置應在被檢表前（即上游）；用標準渦街流量計作標準表時，其安裝位置應在被檢表的后邊（即下游）。
　　
　　④試驗結果表明無論上游局部阻力件是什么形式，速度式標準表前直管段均采用20DN（DN為直管段內經）為宜。
　　
　　（6）為消除標準表的系統誤差，標準表的檢定應帶前后直管段的組合件及二次指示儀表。
　　
　　（7）標準表與被檢表的輸出頻率信號應同步記錄，標準表累積的脈沖數的數據應根據被檢表的準確度等級確定。
　　
　　（8）串聯檢測時，單次測量的極限相對誤差，（Er）max=0.14%，標定標準傳感器的裝置準確度Es=0.2%則E=（0.22+0.142）1/2=0.244%。
　　
　　（9）并聯檢測時測量的極限相對誤差的zui大值
　　
　　（Er）max=+0.31%;Es=0.2%
　　
　　則E=（0.22+0.32）1/2=0.37%。
　　
　　注：由于實驗數據較多，由于篇幅所限，這里不便將數據一一列出，如需要可來信咨詢。
　　
　　因此，該裝置準確度在±0.5%以內，可滿足渦街流量傳感器的檢測要求。
　　
　　1用標準傳感器法裝置檢測被檢傳感器的誤差
　　
　　為便于分析我們做兩個假設，其一是并聯管路布置相對對稱，流量、壓力、溫度分配均勻；其二是并聯的傳感器口徑相同，儀表系數相等。
　　
　　上述兩條件在設計裝置時是可以滿足的，也就是說被檢測的傳感器的儀表數Kt有：
　　
　　Kt=（1/n）Kpt·Kn·Ks（15）　　由此可以看出，典型的并統中，有n臺標準傳感器并聯，檢測出的傳感器儀表系數的相對誤差僅由溫度修正系數、同一計數時間間隔內被檢測傳感器和標準傳感器脈沖比的系數和標準傳感器儀表系數三者相對誤差的1/n倍確定。至少被檢測傳感器的儀表系數相對誤差不會低于并聯的標準傳感器誤差大的那臺，下面就本裝置按單臺比較系統分析其誤差。
　　
　　由式（5）Kt=Ks·KN·KPT
　　
　　（dKt/Kt）=（dKs/Ks）+（dKn/Kn）+（dKPT/KPT）
　　
　　（1）標準傳感器儀表系數的相對誤差Es是由裝置上選用的范圍內，由其基本誤差確定，按3的分析為Es=±0.14%。
　　
　　（2）脈沖比Kn的相對誤差En是以標準傳感器與被檢測傳感器中儀表系數較小的一臺2000個脈沖數的時間作為同步計數器的控制信號En=±0.05%。
　　
　　（3）溫度壓力修正系數KPT的相對誤差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）]
　　
　　試驗中，選用分辨率為0.1℃的溫度計和0.2級的U型壓力計按表1的流量分配方案，每個口徑的被檢測的傳感器Qmin、0.5Qmax和Qmax三點分別進行了溫度溫度變化率、壓力、壓力波動及流通能力測試，然后按作出的每組數據計算出相應的Ekpt來。計算Ekpt時考慮：
　　
　　①壓力波動ΔP的影響取dP≥ΔP
　　
　　②2000個脈沖數對應的時間間隔內溫度變化△t的變化影響取dt≥△P
　　
　　③溫度壓力測量誤差的影響取
　　
　　dP≥0.1,dPt≥2000×9.80665×0.2%=0.4Pa,dPs≥800×9.80665×0.2%=0.16Pa
　　
　　從測試數據計算結果看EKPt≤0.147≈±0.2%。
　　
　　裝置檢測傳感器的儀表系數的基本誤差Et
　　
　　Et=（E2s+E2n+E2KPT+δ2）1/2=（0.142+0.052+0.2442）1/2=±0.35%
　　
　　因此可得出結論，用該裝置檢測0.5級表可滿足要求。