竺林坤，胡佳成，李東升，張洪軍

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州　310018)

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燃?xì)鉄嶂涤?jì)量標(biāo)準(zhǔn)的尾氣收集裝置精度設(shè)計(jì)

竺林坤，胡佳成，李東升，張洪軍

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州310018)

針對(duì)基于燃燒法的燃?xì)鉄嶂涤?jì)量標(biāo)準(zhǔn)的尾氣收集裝置的缸體容積精確測(cè)量問(wèn)題，應(yīng)用現(xiàn)代儀器精度與誤差理論，對(duì)該尾氣收集裝置的各項(xiàng)誤差源進(jìn)行分析，得到各分量的傳遞系數(shù)表達(dá)式，并按工程實(shí)際情況對(duì)精度指標(biāo)進(jìn)行了分配與調(diào)整;對(duì)分配的精度指標(biāo)進(jìn)行了合成計(jì)算，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的燃?xì)鉄嶂涤?jì)量尾氣收集裝置的最大允許誤差為0.24%，完全滿足尾氣體積的測(cè)量精度要求;論文研究對(duì)建立我國(guó)新一代天然氣熱值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)有很好的指導(dǎo)意義和工程實(shí)用前景。

燃?xì)鉄嶂涤?jì)量；尾氣收集裝置；氣缸傳動(dòng)誤差；精度設(shè)計(jì)

0　引言

以熱值作為貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)已成為國(guó)際上天然氣貿(mào)易交接的發(fā)展趨勢(shì)[1-2]，以德國(guó)為代表的歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家用十余年時(shí)間聯(lián)合研發(fā)了天然氣熱值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，已投入使用。我國(guó)已是天然氣進(jìn)口大國(guó)，目前還是以體積(質(zhì)量)計(jì)量[3-4]的方式作為天然氣貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)，無(wú)法與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)互認(rèn)，造成較大的潛在損失。為縮短同國(guó)際先進(jìn)計(jì)量技術(shù)的差距，保障天然氣貿(mào)易交接的公正公平，在我國(guó)建立天然氣熱值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置已勢(shì)在必行[5]。天然氣熱值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置如圖1所示。

天然氣熱值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置包括燃?xì)鉄嶂禍y(cè)量主體容器及相適應(yīng)的溫控系統(tǒng)、高準(zhǔn)確度燃?xì)赓|(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、尾氣收集裝置中的尾氣成分檢測(cè)系統(tǒng)和整體系統(tǒng)操作與控制軟件[6]；天然氣熱值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用燃燒法來(lái)獲得燃?xì)獾膶?shí)際熱值，但因?yàn)槿細(xì)馊紵龝r(shí)無(wú)法保證完全燃燒，對(duì)燃?xì)鉄嶂涤?jì)量的準(zhǔn)確性造成了影響，所以對(duì)尾氣進(jìn)行收集并對(duì)其成分加以分析，可對(duì)熱值數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償修正，以便于提高天然氣熱值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的整體精度[7-8]。為此，本文設(shè)計(jì)了用于對(duì)燃燒產(chǎn)物進(jìn)行收集及測(cè)量的燃?xì)鉄嶂涤?jì)量尾氣收集裝置。

圖1　天然氣熱值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置示意圖

1　尾氣收集裝置工作原理與結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的應(yīng)用于燃?xì)鉄嶂涤?jì)量標(biāo)準(zhǔn)的尾氣收集裝置的工作原理及結(jié)構(gòu)是：燃?xì)馊紵埃O(shè)定儲(chǔ)氣罐及燃燒池的初始?jí)簭?qiáng)；待燃?xì)恻c(diǎn)燃后，尾氣從燃燒池流出，并進(jìn)入干燥裝置中，經(jīng)干燥裝置進(jìn)行充分干燥后的尾氣流經(jīng)氣體流量計(jì)，使氣體流量計(jì)顯示數(shù)值，接著將進(jìn)入與氣體流量計(jì)一側(cè)相連的儲(chǔ)氣罐中，由安裝在儲(chǔ)氣罐頂部上的壓力傳感器檢測(cè)到罐中的壓強(qiáng)，此時(shí)的壓強(qiáng)值高于初始?jí)簭?qiáng)值，由于將壓強(qiáng)值反饋到下位機(jī)中存在時(shí)間差，則不能實(shí)時(shí)控制伺服電機(jī)抽取氣體的多少，故設(shè)定某個(gè)大于初始?jí)簭?qiáng)值為中間壓強(qiáng)值。

根據(jù)氣體流量計(jì)傳送出的流量值，來(lái)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并帶動(dòng)與伺服電機(jī)相連接的活塞桿，抽取管路中的尾氣，使儲(chǔ)氣罐中的壓強(qiáng)值始終趨于設(shè)定的中間壓強(qiáng)值。當(dāng)燃燒結(jié)束后，氣體流量計(jì)將變成數(shù)值為0，停留一段時(shí)間后，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，使裝置的中管路的壓強(qiáng)值趨向于設(shè)定的初始?jí)簭?qiáng)值。然后充一定量的惰性氣體洗滌裝置后，伺服電機(jī)將停止轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)光柵尺獲取活塞缸內(nèi)收集氣體的位移測(cè)量示數(shù)，進(jìn)而對(duì)活塞缸收集氣體體積計(jì)算[9]。尾氣收集裝置基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　燃?xì)鉄嶂涤?jì)量尾氣收集裝置

2　尾氣收集裝置的誤差分析

天然氣熱值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度為0.3%，尾氣收集裝置在整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度分配中所占權(quán)重較小，初步確定本文中研究設(shè)計(jì)的尾氣收集裝置部分的不確定需要達(dá)到0.5% (k=2)。為此必須對(duì)該尾氣收集裝置在收集過(guò)程中的誤差源進(jìn)行全面分析，對(duì)各個(gè)誤差源進(jìn)行合理的精度設(shè)計(jì)。

尾氣收集裝置的體積數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中，V標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的活塞缸內(nèi)收集的體積，單位為(mm3)；T標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的活塞缸內(nèi)的溫度(k)；T0為工作環(huán)境下的活塞缸內(nèi)的溫度(k)；P標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的活塞缸內(nèi)的壓力(Pa)；P0為工作環(huán)境下的活塞缸內(nèi)的壓力(Pa)；D為工作環(huán)境下的活塞缸內(nèi)徑值(mm)；L為光柵尺在工作環(huán)境下的讀數(shù)值(mm)。

由公式(1)可知：裝置的主要誤差來(lái)源有：位移測(cè)量誤差、缸體內(nèi)徑測(cè)量誤差和溫度與壓力測(cè)量誤差等4個(gè)因素。

2.1位移測(cè)量誤差

經(jīng)上述裝置的工作原理介紹，位移測(cè)量誤差的具體表現(xiàn)如表1所示。

表1　位移測(cè)量誤差的具體誤差分類

2.2缸體內(nèi)徑引起的體積誤差分量

2.2.1缸體內(nèi)壁加工誤差

尾氣收集裝置中的活塞采用盤狀形結(jié)構(gòu)，其活塞缸內(nèi)壁被加工后實(shí)際得到的內(nèi)徑大小與理論上的內(nèi)徑值存在差異，因此產(chǎn)生了活塞缸內(nèi)壁加工誤差?；钊變?nèi)壁加工誤差δ6(x)是影響收集到的尾氣體積精度至關(guān)重要的因素之一。

2.2.2環(huán)境溫度引起的缸體變形誤差

環(huán)境溫度變動(dòng)引起裝置中活塞缸的直徑測(cè)量誤差δ7(x)，其與活塞缸的材料熱脹系數(shù)α4及最大收集行程L、溫度變化值ΔT有關(guān)，計(jì)算公式如下：

δ7(x)=α4×ΔT×L

(7)

2.2.3其他誤差

其他誤差主要包括環(huán)境中的振動(dòng)、測(cè)量人員而引起對(duì)缸體內(nèi)徑測(cè)量過(guò)程中的誤差，設(shè)這些誤差量大小為δ8(x)。

2.3溫度與壓力測(cè)量誤差

活塞缸蓋底部安裝有溫度傳感器與壓力傳感器，用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)活塞缸內(nèi)的氣體溫度與壓力，便于計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀況下的尾氣體積，因此溫度傳感器的誤差δT(x)及壓力傳感器的誤差δP(x)也是成為尾氣收集裝置的標(biāo)準(zhǔn)量誤差的主要來(lái)源。

3　尾氣收集裝置的精度設(shè)計(jì)

3.1等作用原則的初步精度設(shè)計(jì)

根據(jù)上述對(duì)尾氣收集裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)和裝置的誤差來(lái)源以及具體精度要求的分析，對(duì)尾氣收集裝置進(jìn)行精度設(shè)計(jì)。根據(jù)上述的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得：V標(biāo)=1.05×107mm3，故裝置對(duì)收集的尾氣體積誤差為δ標(biāo)=0.53×105mm3。

因測(cè)量項(xiàng)目有四項(xiàng)，即n=4。依據(jù)等作用原則分配誤差，可得出長(zhǎng)度L測(cè)量的極限誤差為：

(8)

依據(jù)等作用原則和最大允許誤差δL的要求，可利用方和根法求得：

δ11(x)=δ12(x)=δ2(x)=δ3(x)=

δ41(x)=δ42(x)=δ43(x)=δ5(x)=

(9)

依據(jù)等作用原則分配誤差，可得出直徑D測(cè)量的極限誤差為：

(10)

依據(jù)等作用原則和最大允許誤差δD的要求，可利用方和根法求得：

(11)

依據(jù)等作用原則分配誤差，可得出溫度T和壓力P測(cè)量的極限誤差為：

(12)

(13)

3.2位移測(cè)量誤差設(shè)計(jì)

3.2.1標(biāo)準(zhǔn)量誤差設(shè)計(jì)

根據(jù)選用的光柵尺測(cè)量精度，取測(cè)量光柵的示值誤差δ11(x)=1.0×10-3mm。收集尾氣的過(guò)程通過(guò)運(yùn)動(dòng)塊的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，則運(yùn)動(dòng)件的定位誤差δ12(x)可控制在1.0×10-2mm。

3.2.2阿貝誤差設(shè)計(jì)

活塞桿與所設(shè)計(jì)的測(cè)量光柵之間的距離為A=200 mm，收集過(guò)程中運(yùn)動(dòng)塊的最大擺角控制在φ=8′，則產(chǎn)生的阿貝誤差為：

δ2(x)=200×sinφ≈0.47 mm

由于在收集尾氣過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)塊帶動(dòng)活塞桿沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)塊的擺角大小較難控制，故應(yīng)適量放寬對(duì)阿貝誤差的限制。

3.2.3導(dǎo)軌垂直度誤差設(shè)計(jì)

根據(jù)所需要收集的尾氣總體積要求，尾氣收集裝置的收集行程為650 mm。導(dǎo)軌與運(yùn)動(dòng)塊的垂直角度偏差不超過(guò)1.2″，可應(yīng)用角度器進(jìn)行測(cè)量，則垂直度誤差大小計(jì)算如下：

δ3(x)=Δγ×L=0.22 mm

由于收集尾氣的行程較長(zhǎng)，難以減小導(dǎo)軌的垂直度誤差，因此可以適量放寬對(duì)垂直度誤差的精度要求。

3.2.4環(huán)境溫度誤差設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際測(cè)量情況，要求環(huán)境溫度最大允許偏差為0.5℃,選用的玻璃測(cè)量光柵的線膨脹系數(shù)α1為8×10-6/℃；導(dǎo)軌的材料主要為碳鋼，取線膨脹系數(shù)α2為1.16×10-5/℃；尾氣收集裝置的支座主要是選用不銹鋼材料制作，取線膨脹系數(shù)α3為1.44×10-5/℃，則由于環(huán)境溫度變化引起的測(cè)量誤差計(jì)算如下：

δ41(x)=α1×ΔT×L=3.0×10-3mm

δ42(x)=α2×ΔT×L=4.0×10-3mm

δ43(x)=α3×ΔT×L=5.0×10-3mm

3.2.5其他誤差設(shè)計(jì)

其他測(cè)量誤差具體主要包含環(huán)境振動(dòng)對(duì)測(cè)量引起的誤差以及其他未知誤差。由于其他未知誤差難以獲取，對(duì)其無(wú)法進(jìn)行修正，因此分配給該項(xiàng)的誤差應(yīng)該較大，取δ5(x)=0.5 mm。

3.3缸體內(nèi)徑引起的體積誤差分量設(shè)計(jì)

3.3.1缸體內(nèi)壁加工誤差設(shè)計(jì)

為了保證尾氣收集裝置在收集氣體過(guò)程中不影響燃?xì)鉄嶂涤?jì)量的整套系統(tǒng)中的燃燒池所排出的氣體流量大小，所要設(shè)計(jì)的尾氣收集裝置中的活塞缸內(nèi)壁的直徑不能過(guò)大，否則將難以控制維持燃燒池到尾氣收集裝置的管路中的壓強(qiáng)恒定，因此設(shè)計(jì)活塞缸內(nèi)壁為150 mm。取活塞缸內(nèi)壁加工誤差為δ6(x)=±0.02 mm，且可應(yīng)用高精度的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。3.3.2環(huán)境溫度引起的缸體變形誤差設(shè)計(jì)

活塞缸的材料選用不銹鋼制作，取線膨脹系數(shù)α4為1.44×10-5/℃。由于環(huán)境溫度變化引起的測(cè)量誤差計(jì)算如下：

3.3.3其他誤差設(shè)計(jì)

其他測(cè)量誤差具體主要包含環(huán)境振動(dòng)對(duì)測(cè)量引起的誤差以及其他未知誤差。這些誤差一般比較難以獲取，從而無(wú)法修正，因此分配給該項(xiàng)的誤差應(yīng)該較大，取δ8(x)=0.05 mm。

3.4溫度與壓力測(cè)量誤差設(shè)計(jì)

選用安裝在活塞缸底部的溫度傳感器測(cè)量誤差為δT(x)=±0.25 k，且壓力傳感器測(cè)量誤差為δP(x)=101 pa。

3.5測(cè)量誤差的合成

根據(jù)誤差獨(dú)立作用原理，按照方和根公式對(duì)上述誤差進(jìn)行合成，可得尾氣收集裝置在長(zhǎng)度方向的最大允許誤差為:

0.72mm< 1.63mm

尾氣收集裝置在直徑方向上的最大允許誤差為:

0.06mm< 0.17mm

尾氣收集裝置的最大允許體積誤差為:

4　結(jié)論

本文對(duì)應(yīng)用于燃?xì)鉄嶂涤?jì)量標(biāo)準(zhǔn)的尾氣收集裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要從裝置的位移測(cè)量、缸體內(nèi)徑測(cè)量和溫度以及壓力測(cè)量4個(gè)方面進(jìn)行對(duì)其主要誤差源分析，同時(shí)對(duì)尾氣收集裝置的主要誤差源進(jìn)行了精度設(shè)計(jì)。結(jié)合實(shí)際測(cè)量條件，經(jīng)計(jì)算可得出該尾氣收集裝置的精度能達(dá)到0.24%，完全滿足裝置的設(shè)計(jì)要求。這為指導(dǎo)尾氣收集裝置的實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及進(jìn)行誤差修正實(shí)現(xiàn)裝置的尾氣體積收集精度要求提供了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。同時(shí)分析得到的結(jié)論也可用于具有類似結(jié)構(gòu)的主動(dòng)式驅(qū)動(dòng)活塞裝置的精度分析。

[1] 楊紅,董事爾,彭雪鋒,等.我國(guó)天然氣能量計(jì)量的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].硅谷,2012(3):44-46.

[2] 張偉,周進(jìn)生. 關(guān)于利用能量計(jì)量天然氣的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析[J]. 中國(guó)礦業(yè),2012,21(5): 30-34.

[3] 李鷺光,周志斌. 中國(guó)天然氣按能量計(jì)價(jià)實(shí)施方案研究[J]. 天然氣工業(yè),2011,31(12): 110-114.

[4] 陳賡良.對(duì)天然氣能量計(jì)量方法實(shí)施的認(rèn)識(shí)[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2001,17(5):1-3.

[5] 馬立強(qiáng),李郝鵬.淺析天然氣能量計(jì)量系統(tǒng)的檢定現(xiàn)狀[J].工業(yè)計(jì)量,1997,17(4):71-73.

[6] Schley P,Bech M,Uhrig M,et al. Measurement of the calorific value of methane with the new GERG reference calorimeter[J]. International Journal of Thermophysics,2010(31): 665-679.

[7] Hasselbarth W,Rauch J,Sarge S M. Uncertainty evaluation for the adiabatic temperature rise in isoperibol calorimetry[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry,2012,(109): 1597-1617.

[8] Haloua F,Hay B,Foulon E. Uncertainty analysis of theoretical methods for adiabatic temperature rise determination in calorimetry[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry,2013,(111): 985-994.

[9] 李東升,竺林坤,胡佳成,等.一種恒壓式閉環(huán)控制的尾氣自動(dòng)收集方法及裝置:201410759557.3[P]. 2015-03-25.

Accuracy Design of Exhaust Gas Collecting Device about Gas Caloricity Gaging

Zhu Linkun,Hu Jiacheng,Li Dongsheng,Zhang Hongjun

(College of Metrology&Measurement Engineering,China Jiliang University,Hangzhou310018,China)

Aiming at the problem of accurate measurement of cylinder volume of the exhaust gas collection device based on the combustion method of gas calorific value measurement standard,the error sources of the tail gas collecting device are analyzed and the expression of the transfer coefficient is obtained by using the modern instrument precision and error theory,and according to the actual situation of the project,the accuracy index is allocated and adjusted. Index distribution accuracy is synthesized. The results show the designed maximum permissible error calorific value of gas metering exhaust collector means 0.59%,to fully meet the requirements of exhaust gas volume measurement accuracy. Thesis has a good guide for the establishment of the new generation of natural gas calorific value measurement standards,and has a good prospect of engineering application.

gas calorific value measurement; exhaust gas collecting device; cylinder transmission error; accuracy design

1671-4598(2016)04-0199-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.058

TH12

A

2015-10-21；

2015-11-23。

國(guó)家質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201410133)。

竺林坤(1990-)，男，浙江紹興人，碩士研究生，主要從事氣體流量計(jì)量和智能化儀表的研制方向的研究。