江航成,郭 剛,鈄偉明

(金卡智能集團(tuán)股份有限公司,浙江 杭州 310018)

0 引言

近年來,隨著清潔能源的推廣和城市的飛速發(fā)展,天然氣的應(yīng)用日趨普遍,燃?xì)獗砭哂杏?jì)量精度較高、量程范圍寬、穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于燃?xì)獾馁Q(mào)易結(jié)算。燃?xì)獗碜鳛閲矣?jì)量行政部門重點(diǎn)監(jiān)管的計(jì)量器具,其計(jì)量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

燃?xì)獗淼臋z定裝置目前主要有鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。采用噴嘴作為標(biāo)準(zhǔn)表的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高、無可動(dòng)部件、維護(hù)方便等特點(diǎn),在氣體流量儀表的檢定及校準(zhǔn)中得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。此類流量標(biāo)準(zhǔn)裝置已成為開展燃?xì)獗頇z定的主流標(biāo)準(zhǔn)裝置。音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置(后續(xù)簡(jiǎn)稱音速噴嘴裝置)的校準(zhǔn)方法,也成為分析研究重點(diǎn)。在已有的研究文獻(xiàn)中,對(duì)音速噴嘴流出系數(shù)校準(zhǔn)的深入研究表明,滯止壓力對(duì)同一支音速噴嘴流出系數(shù)的最大影響達(dá)到2.3%,需要在實(shí)際使用的雷諾數(shù)下進(jìn)行校準(zhǔn)[5];歸納了濕度對(duì)音速噴嘴流出系數(shù)影響的幾種常見修正方法,雖然修正方法存在明顯差異,但修正后的結(jié)果均有很好的一致性[6]。另外,各類文獻(xiàn)提出了不同裝置對(duì)音速噴嘴的校準(zhǔn):國家計(jì)量院采用pVTt 法氣體流量基準(zhǔn)裝置對(duì)音速噴嘴進(jìn)行量值傳遞[7];國家石油天然氣武漢站采用高壓活塞體積管法檢定音速噴嘴[8]。

就音速噴嘴裝置而言,累積流量是導(dǎo)出量。除與音速噴嘴有關(guān)外,其還與溫度、壓力、濕度、時(shí)間等參數(shù)相關(guān)。因此,對(duì)累積流量的校準(zhǔn)比較困難,相關(guān)研究文獻(xiàn)較少,故有必要對(duì)累積流量的量值溯源進(jìn)行深入研究。

1 裝置結(jié)構(gòu)原理

音速噴嘴裝置由音速噴嘴、配套儀表(溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器、晶振)、管路及動(dòng)力系統(tǒng)、夾表及采樣系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成。目前常見的裝置多采用負(fù)壓法,以真空泵作為動(dòng)力源、穩(wěn)定的大氣作為氣源,通過真空泵的抽氣實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)管路中空氣的流動(dòng);通過計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)控制音速噴嘴的不同組合,得到所需的流量值。根據(jù)音速噴嘴的臨界流特性,當(dāng)氣體通過噴嘴時(shí),如噴嘴上、下游氣流壓力比達(dá)到某一特定數(shù)值,噴嘴喉部會(huì)形成臨界狀態(tài),氣流達(dá)到最大速度(當(dāng)?shù)匾羲?,流過噴嘴的氣體質(zhì)量流量也達(dá)到最大。此時(shí),氣體流量只與噴嘴入口處的滯止壓力和滯止溫度有關(guān),而不受其下游狀態(tài)變化的影響。在滯止容器和被檢燃?xì)獗硖幇惭b有溫度傳感器、壓力傳感器,用于測(cè)量流動(dòng)狀態(tài)下的介質(zhì)溫度和壓力。當(dāng)采集到被檢表的第一個(gè)信號(hào)時(shí),晶振開始計(jì)時(shí),直至采集到最后一個(gè)信號(hào)后計(jì)時(shí)結(jié)束。結(jié)合該段運(yùn)行時(shí)間噴嘴以及被檢表的累積體積,考慮溫度及壓力修正,由系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并得出被檢表誤差。

2 目前校準(zhǔn)方法

音速噴嘴裝置指示的標(biāo)準(zhǔn)累積流量是由音速噴嘴、溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器、晶振五者測(cè)試所得值,依據(jù)理論公式計(jì)算合成。首先,依據(jù)JJG620 規(guī)范對(duì)音速噴嘴進(jìn)行校準(zhǔn);然后,按照相應(yīng)的規(guī)程對(duì)于其他配套儀表進(jìn)行檢定或校準(zhǔn);最后,采用JJF1240 噴嘴裝置校準(zhǔn)規(guī)范,根據(jù)以上分項(xiàng)參數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果,對(duì)累積流量進(jìn)行不確定度評(píng)定,得出裝置的不確定指標(biāo)。

事實(shí)上,裝置指示的實(shí)際體積量還與溫度、壓力傳感器的安裝位置、硬件電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度、上位機(jī)數(shù)學(xué)模型軟件算法等密切相關(guān)。由于流量是導(dǎo)出量,對(duì)氣體流量檢定裝置直接進(jìn)行量值溯源較為困難[9]。為滿足檢定流量點(diǎn)的要求,音速噴嘴裝置會(huì)采用多個(gè)噴嘴組合的方法對(duì)被檢表進(jìn)行檢定試驗(yàn)。多個(gè)不同喉部尺寸的噴嘴之間存在相互影響。由于噴嘴加工、安裝和使用影響,不同音速噴嘴裝置間多個(gè)噴嘴組合的試驗(yàn)結(jié)果是不同的[10]。按照J(rèn)JG 620 規(guī)范對(duì)單個(gè)噴嘴進(jìn)行檢定,但該規(guī)范未考慮到多噴嘴組合情況。音速噴嘴裝置比對(duì)往往采用準(zhǔn)確度等級(jí)為1.5 級(jí)的膜式燃?xì)獗?缺乏相應(yīng)高準(zhǔn)確度的比對(duì)表。

裝置在實(shí)際使用中可能存在以下問題:噴嘴前的閥門泄漏;小口徑噴嘴可能達(dá)不到臨界狀態(tài);小流量點(diǎn)設(shè)定的穩(wěn)定時(shí)間過短,噴嘴達(dá)到臨界狀態(tài),而被檢表尚未達(dá)到[11];溫度傳感器安裝位置不在流道上而在管路的死角;壓力傳感器與被檢表間隔較遠(yuǎn)等。以上這些情況都會(huì)影響裝置的準(zhǔn)確度。音速噴嘴檢定周期為5年,其余配套儀表均為1 年。由于每年均需拆卸送檢,多次拆裝易損壞且影響密封性。而檢定需要時(shí)間,會(huì)造成停機(jī)影響生產(chǎn)。噴嘴及配套儀表送檢,需要支付較高費(fèi)用。

3 在線校準(zhǔn)方法

為解決音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置目前校準(zhǔn)方法存在的缺點(diǎn),提出一種通過直接測(cè)量已知標(biāo)準(zhǔn)氣體體積的在線校準(zhǔn)新方法?；钊綒怏w流量標(biāo)準(zhǔn)裝置(后續(xù)簡(jiǎn)稱活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置)通過電機(jī)恒速轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)活塞作平移運(yùn)動(dòng),輸出相應(yīng)流量,具有試驗(yàn)流量穩(wěn)定、精度高、測(cè)量范圍寬、動(dòng)態(tài)使用等特點(diǎn)。其主要用于檢定臨界流文丘里噴嘴,優(yōu)點(diǎn)突出,是近年流量界的研究熱點(diǎn)之一[12-13]。將活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置整套系統(tǒng)作為誤差為0 的已知標(biāo)準(zhǔn)氣體體積的高準(zhǔn)確度比對(duì)表,由音速噴嘴裝置在線測(cè)試其誤差。在線校準(zhǔn)的難點(diǎn)在于它們是兩套不同的獨(dú)立測(cè)試系統(tǒng),無法直接測(cè)試。因此,需要構(gòu)建一個(gè)虛擬表,使它們分別同步采樣測(cè)得流經(jīng)該虛擬表的實(shí)際氣體體積并進(jìn)行比較,從而達(dá)到校準(zhǔn)目的。

音速噴嘴裝置基于噴嘴出口與入口壓力比達(dá)到臨界流背壓比之后,形成恒定的流量,且只與入口壓力有關(guān),而與出口壓力無關(guān)?；钊麡?biāo)準(zhǔn)裝置采用主動(dòng)式盤型活塞。電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿帶動(dòng)活塞平移形成流量。氣缸內(nèi)徑、活塞外徑等尺寸以及絲桿的加工精度確保截面積以及運(yùn)行速度的恒定,從而產(chǎn)生具有穩(wěn)定壓力的恒定氣體流量。

在線校準(zhǔn)原理如圖1 所示。

圖1 在線校準(zhǔn)原理圖Fig.1 Schematic diagram of online calibration

活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置與音速噴嘴裝置通過氣管串聯(lián)連接。氣體從氣缸內(nèi)排出流經(jīng)音速噴嘴。音速噴嘴裝置選擇某一流量后,音速噴嘴裝置打開相應(yīng)噴嘴,形成穩(wěn)定的流量?；钊麡?biāo)準(zhǔn)裝置通過電機(jī)轉(zhuǎn)速控制排出氣體流量大小,直到活塞缸內(nèi)的差壓傳感器顯示差壓在±20 Pa 內(nèi),判定兩者流量一致?；钊麡?biāo)準(zhǔn)裝置排出的質(zhì)量流量等于流經(jīng)噴嘴的質(zhì)量流量。連接管路上構(gòu)建一個(gè)虛擬表。活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置裝有信號(hào)觸發(fā)器,通過信號(hào)觸發(fā)開始與結(jié)束,計(jì)量該時(shí)間段內(nèi)活塞排出氣體體積;再根據(jù)虛擬表處的溫度與壓力,將此體積換算成流經(jīng)虛擬表的實(shí)際氣體體積。音速噴嘴裝置在光電采樣器接收到信號(hào)觸發(fā)器的第一個(gè)信號(hào)開始計(jì)時(shí),在接收到信號(hào)觸發(fā)器的第二個(gè)信號(hào)時(shí)計(jì)時(shí)結(jié)束,測(cè)得該虛擬表的誤差,進(jìn)而計(jì)算出流經(jīng)虛擬表的實(shí)際氣體體積。活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置與音速噴嘴裝置根據(jù)信號(hào)觸發(fā)開始與結(jié)束,同步測(cè)試計(jì)算出同一虛擬表的實(shí)際氣體體積,由此實(shí)現(xiàn)在線校準(zhǔn)。

在定溫、定壓下,活塞裝置排出的氣體體積量計(jì)算見式(1)。在安裝前,對(duì)活塞缸內(nèi)徑與絲桿套進(jìn)行校準(zhǔn),從而實(shí)現(xiàn)量值溯源。

式中:V為活塞排出氣體體積;D為活塞缸內(nèi)徑;d為絲桿套外徑;L為運(yùn)動(dòng)位移。

運(yùn)動(dòng)位移等于編碼器的長度脈沖系數(shù)與脈沖數(shù)的乘積見式(2)。長度脈沖系數(shù)在活塞裝置安裝完成后,通過激光測(cè)長儀校準(zhǔn)得到。

式中:f為編碼器的長度脈沖系數(shù);n為長度脈沖數(shù)。

活塞裝置流出的氣體質(zhì)量由式(3)算出,通過式(4)計(jì)算氣體密度、式(5)計(jì)算濕空氣修正系數(shù)。因?yàn)闇y(cè)試過程中活塞處氣體的溫度、壓力、濕度保持不變,活塞裝置測(cè)試開始與結(jié)束時(shí)的氣體密度相等,根據(jù)式(6)可測(cè)得活塞裝置排出的實(shí)際氣體體積。

式中:mP為活塞裝置排出的氣體質(zhì)量;ρ1、ρ2分別為測(cè)試開始和結(jié)束的活塞缸內(nèi)氣體密度;V1、V2分別為測(cè)試開始和結(jié)束的活塞缸容積;P為活塞缸內(nèi)氣體絕對(duì)壓力;T為活塞缸內(nèi)氣體絕對(duì)溫度;R為通用氣體常數(shù);Z為氣體壓縮因子;M為氣體摩爾質(zhì)量;k為濕空氣修正系數(shù);RH為氣體相對(duì)濕度;Pb為氣體飽和蒸汽壓;Vp1為活塞裝置排出的氣體體積。

由于封閉管路系統(tǒng)中質(zhì)量守恒,活塞裝置排出與流經(jīng)虛擬表的氣體質(zhì)量相等。根據(jù)理想氣態(tài)方程,通過式(7)得到流經(jīng)虛擬表的實(shí)際氣體體積。音速噴嘴裝置測(cè)得該虛擬表的誤差δ。由式(8)可知,流經(jīng)虛擬表的實(shí)際氣體體積。通過同步測(cè)試虛擬表的實(shí)際體積,活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置與音速噴嘴裝置互相關(guān)聯(lián)。由式(9)可計(jì)算出活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)音速噴嘴裝置累積流量的示值誤差。

式中:Vp2為活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)得虛擬表的實(shí)際氣體積;Tm為虛擬表氣體絕對(duì)溫度;Pm為虛擬表氣體絕對(duì)壓力;Vs為音速噴嘴裝置測(cè)得虛擬表的實(shí)際體積;δ為音速噴嘴裝置測(cè)得虛擬表的的誤差;E為活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)音速噴嘴裝置的誤差。

4 試驗(yàn)測(cè)試

流量范圍為0.016～6 m3/h 的可移動(dòng)立式主動(dòng)活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,ur=0.05%,k=2;流量范圍為0.016～6 m3/h 的音速噴嘴裝置,ur=0.5%,k=2。試驗(yàn)以4 m3/h 為例進(jìn)行說明。活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置底部安裝有滾輪,可推到現(xiàn)場(chǎng),通過管路與音速噴嘴裝置串聯(lián)?；钊麡?biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)定成定時(shí)觸發(fā)狀態(tài),音速噴嘴裝置打開真空泵以及控制4 m3/h 流量噴嘴的氣動(dòng)閥,形成恒定的流量。測(cè)試過程分為調(diào)整、校準(zhǔn)兩個(gè)階段。校準(zhǔn)階段分為準(zhǔn)備、穩(wěn)定、測(cè)試、停止四個(gè)步驟。調(diào)整階段不斷調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,確?；钊粌?nèi)氣體與大氣的差壓控制在±20 Pa 以內(nèi),使活塞排出與音速噴嘴裝置抽取的氣體流量達(dá)成平衡。

①準(zhǔn)備步驟:打開進(jìn)氣閥,使活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置電機(jī)的轉(zhuǎn)速從0 到額定轉(zhuǎn)速。此時(shí),活塞腔與大氣相通,活塞腔內(nèi)氣體的壓力與大氣壓一致。氣體由大氣進(jìn)入進(jìn)氣閥,經(jīng)活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置被音速噴嘴裝置抽取。

②穩(wěn)定步驟:關(guān)閉進(jìn)氣閥,使氣體由活塞腔被抽取。因?yàn)榍懊娴恼{(diào)整階段,活塞前進(jìn)排出氣體流量與音速噴嘴裝置抽取流量形成平衡狀態(tài),活塞腔內(nèi)氣體壓力與大氣壓差壓穩(wěn)定在±20 Pa 以內(nèi)。

③校準(zhǔn)步驟。

首先,給活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置的信號(hào)觸發(fā)器一個(gè)信號(hào),觸發(fā)編碼器開始計(jì)脈沖數(shù),信號(hào)觸發(fā)器LED 閃爍觸發(fā)光電采樣器,音速噴嘴裝置開始計(jì)時(shí)。

然后,活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置排出氣體量符合測(cè)試體積值要求時(shí),再給信號(hào)觸發(fā)器一個(gè)信號(hào)。此時(shí),觸發(fā)編碼器停止計(jì)數(shù),信號(hào)觸發(fā)器LED 閃爍觸發(fā)光電采樣器,使音速噴嘴裝置結(jié)束計(jì)時(shí)?；钊麡?biāo)準(zhǔn)裝置根據(jù)脈沖數(shù)計(jì)算累積流量。

最后,音速噴嘴裝置根據(jù)時(shí)間,計(jì)算出累積流量,測(cè)得虛擬表的誤差。

④結(jié)束步驟:進(jìn)氣閥打開,電機(jī)從額定轉(zhuǎn)速下降到0。此時(shí),活塞腔與大氣相通。

根據(jù)以上操作流程,在4 m3/h 流量下,在線校準(zhǔn)誤差如表1 所示。

表1 在線校準(zhǔn)誤差Tab.1 Error of the online calibration tests

由表1 可知,校準(zhǔn)誤差都在0.2%以內(nèi),平均值為0.14%,重復(fù)性達(dá)到0.03%。因此,活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置在線校準(zhǔn)音速噴嘴裝置累積流量方法準(zhǔn)確可行。

5 不確定度評(píng)定

活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)音速噴嘴裝置累積流量的不確定度評(píng)定,根據(jù)式(1)、式(2)、式(7)、式(9)得出校準(zhǔn)誤差如下:

根據(jù)式(10),校準(zhǔn)的合成標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)不確定評(píng)定為:

①ur(V)為活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

活塞裝置的擴(kuò)展不確定度為0.05 %,置信概率P=95 %,包含因子k=2。按正態(tài)分布考慮,其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

②ur(Vs)為音速噴嘴裝置重復(fù)性的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

校準(zhǔn)6 遍,測(cè)試的重復(fù)性為0.03%,ur(Vs)=0.03%

③ur(T)為活塞裝置溫度測(cè)量引起的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

溫度變送器證書給出的最大誤差為0.10 ℃,按照均勻分布為:

④ur(Tm)為虛擬表處溫度測(cè)量引起的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

溫度變送器證書給出的最大誤差為0.20 ℃,按照均勻分布為:

⑤ur(P)為活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置壓力測(cè)量引起的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

0.05級(jí)的絕對(duì)壓力變送器,滿量程為120 kPa,理論電流為20 mA,實(shí)際最大偏差為0.009 mA,則最大誤差為54 Pa?？紤]到壓力波動(dòng)最大20 Pa,按照均勻分布為:

⑥ur(Pm)為虛擬表處壓力測(cè)量引起的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

0.2級(jí)的絕對(duì)壓力變送器,滿量程為110 kPa,理論電流20 mA,實(shí)際最大偏差為0.010 mA,則考慮到最大誤差為55 Pa,按照均勻分布為:

根據(jù)式(11)計(jì)算,校準(zhǔn)的擴(kuò)展相對(duì)不確定度ur(E)=0.16%、k=2。

6 結(jié)論

以流量范圍為0.016～6 m3/h、擴(kuò)展不確定度為0.05%的可移動(dòng)式活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置作為誤差為0 的標(biāo)準(zhǔn)表。流量范圍為0.016～6 m3/h、擴(kuò)展不確定度為0.5%的音速噴嘴裝置,在4 m3/h 流量下測(cè)試其累積流量誤差為0.14%,其擴(kuò)展不確定度達(dá)到0.16%。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了在線校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性與可行性。

采用該方法校準(zhǔn)有以下三個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)。

①全面、綜合評(píng)定音速噴嘴裝置的計(jì)量性能,不僅包括所涉及的全部計(jì)量儀表的計(jì)量準(zhǔn)確性,還包括測(cè)試軟件算法、使用環(huán)境的影響、校準(zhǔn)操作方法等。

②在線性校準(zhǔn)優(yōu)點(diǎn)是不用拆卸、操作簡(jiǎn)單便捷、成本低廉,不影響生產(chǎn)。

③該方法是直接對(duì)累積流量的校準(zhǔn)。該方法也為其他流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的累積流量的溯源提供參考與借鑒。采用該高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)表作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量值比對(duì),能使國家流量基準(zhǔn)與其他各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有望實(shí)現(xiàn)真正意義上的累積流量量值溯源。