智能孔口流量计校准方法研究

智能孔口流量计校准方法研究

赵宁1，牛立娜1，2，梁玉娇1，陈世砚2，田鹏飞2

(1.河北大学 质量技术监督学院，河北 保定071002；2.河北省计量监督检测院 气体流量实验室，河北 石家庄050051)

摘要：通过研究智能孔口流量计的工作原理，提出了基于钟罩标准装置的正压校准法和基于标准流量计的负压校准法，分别建立了实验测量系统和数学模型. 通过2种校准法的检测实验，对实验结果的不确定度进行了分析评价，并对2种方法进行了比对分析.

关键词：智能孔口流量计；正压法；负压法；不确定度分析

DOI：10.3969/j.issn.1000-1565.2015.05.017

中图分类号：TK313;X830.2文献标志码：A

收稿日期：2015-04-10

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61475041)；河北省自然科学基金资助项目(F2015201215)；河北省教育厅重点资助项目(ZH2012064)；河北省教育厅青年基金资助项目(QN2015216)

On the calibration methods of intelligent orifice flow-meter

ZHAO Ning1, NIU Lina1,2, LIANG Yujiao1, CHEN Shiyan2, TIAN Pengfei2

(1. College of Quality and Technical Supervision, Hebei University, Baoding 071002, China;

2. Lab of Gas Flow，Measurement Supervision and Testing Institute

of Hebei Province, Shijiazhuang 050051, China)

Abstract:Based on research of operational principle of intelligent orifice flow-meter, two calibration methods were presented; one was positive pressure method which was based on the bell gas flow standard device, the other was negative pressure method which was based on the standard flow-meter, the measurement systems and mathematical models were established respectively. Through detection experiments of the two calibration methods, the uncertainties of experimental results were analyzed and evaluated, comparative analysis of the two methods were proposed.

Key words: intelligent orifice flow-meter; positive pressure method; negative pressure method; uncertainty analysis

第一作者：赵宁(1983-)，男，河北保定人，河北大学讲师，天津大学在读博士研究生，主要从事气液两相流测量相关研究.

E-mail：headbig3000@163.com

总悬浮颗粒物采样器是环境空气检测中对大气中颗粒物样品(如PM2.5, PM10)采集分析中常用的一种仪器，一般将环境检测中为总悬浮颗粒物采样进行流量校准用的孔口流量计称为“标定总悬浮颗粒物采样器用的孔口流量计”.目前在环境检测中常用的总悬浮颗粒物采样器按照流量大小主要分为大流量和中流量2种采样器，相对应的孔口流量计也分为大、中流量2种.其量程范围分别为0.8~1.4 m3/min，75~125 L/min，准确度小于2%. 智能孔口流量计由孔口流量计和二次仪表构成，其工作原理和构成如图1所示.

根据伯努利方程和流动连续性方程，孔口流量计检测数学模型如下：

(1)

图1　智能孔口流量计结构组成示意 Fig.1　Intelligent orifice flowmeter’s structure diagram

总悬浮颗粒物TSP采样器的流量是用孔口流量计来确定的，根据中国环境保护行业标准HJ/T368—2007[1]要求，针对大孔口流量计以罗茨流量计作为标准表，采用负压校准方式.针对中孔口流量计以钟罩式气体流量标准装置为标准，采用正压校准方式.从上述标准[1]可知对孔口流量计的校准方法均采用标准体积法，根据流量范围的不同，选取了不同的标准器及正负压校准方式，对于不同流量范围的同一类型流量计采用不同标准的检测方法，对孔口流量计的实际校准工作带来了一定困扰，而现阶段高精度钟罩式气体流量标准装置和标准罗茨流量计无论是量程范围还是精度等级都可以覆盖大、中孔口流量计的流量范围和检测精度要求.因此本文以中孔口流量计为对象，分别采用钟罩式气体流量标准装置和罗茨流量计校准方法设计了实验校准系统，对其进行了校准，对正负压2种校准方法检测结果进行比对并作了系统分析，为孔口流量计检测系统的同一化作了一些有益的探讨.

1孔口流量计校准方法

1.1　标准表负压法及其示意

标准表负压法[1]选用0.5级标准罗茨流量计作为标准设备，以稳压气泵作为气源，通过变频器调节设置流量点，连接处均采用不锈钢直管连接(L≥10D)，智能孔口流量计的连接端与标准罗茨流量计进气口端的直管段直接相连，孔口端则直通大气.当气泵和变频器运转后，气体通过孔口端流经智能孔口流量计，通过直管段，流经标准罗茨流量计并最终排向大气.具体连接方式如图2所示.

图2　负压法检测孔口流量计示意

1.2　钟罩正压法及其示意

钟罩正压法[1]中选用0.5级2 000 L钟罩作为标准设备，直管段与孔口流量计内外直径保持相同，孔口端与钟罩式气体流量标准装置的排气管相连，孔口连接端与大气保持相通.当钟罩排气阀打开时，气体经过直管段通过孔口端，然后经过孔口直管段，直接排向空气.具体连接方式如图3所示.

图3　正压法检测孔口流量计示意

1.3　中孔口流量计标称参数

流量为80~120 L/min，准确度等级1.0级.

2校准结果比对及分析

由于总悬浮颗粒物采样器采样流量一般为固定流量值，即孔口流量计定点使用而非全量程，因此本次实验选取了3个常用点(80，100，110 L/min)进行检测分析.为了确保检测数据的真实可靠性减小随机误差等微小因素的影响，在保证重复性条件下每个流量点检测6次[2-3].

2.1　负压法检测结果

在保证重复性条件下，针对上述3个流量点在负压法实验装置上进行实流校准实验，标准罗茨流量计示数及数据处理结果如表1所示.

表1　负压法检测智能孔口流量计数据

V1.起始流量；V2.终止流量；qv.智能孔口流量计瞬时流量，采取定时读取瞬时流量并取其10次读数的均值；qs标准流量值，Δr相对误差，Sr标准差.

2.2　正压法检测结果

在保证重复性条件下，针对上述3个流量点在正压法实验装置上进行实流校准实验，钟罩式气体流量标准示数及数据处理结果如表2所示.

表2　正压法检测智能孔口流量计数据

p0.钟罩内压力；qs.经温压补偿后钟罩标况流量；qv.智能孔口流量计瞬时流量，采取定时读取瞬时流量并取其10次读数的均值；Δr相对误差，Sr标准差.

2.3　不确定度分析

2.3.1标准表负压法不确定度分析

在实际测量中，取多次的测量均值作为校准结果，即

(2)

单次测量标准差为

(3)

计算结果如表1中Sr/%列所示.

(4)

计算结果如表3所示.

表3　负压法检测结果不确定度

通过对标准表负压法检测系统的不确定度分析，结合误差理论及测量不确定度评定[4]知识，得到标准表负压法B类合成相对标准不确定度公式

(5)

式中各不确定度分量值如表4所示.

表4　负压法B类不确定度

2.3.2钟罩式正压法不确定度分析

通过公式(2)~(4)计算钟罩式正压法的A类标准不确定度如表5相应列所示.

表5　正压法检测结果不确定度一览表

通过对钟罩式正压法检测系统的不确定度分析，结合误差理论及测量不确定度评定[4-5]知识，得到钟罩式正压法B类合成相对标准不确定度公式

(6)

式中各不确定度分量值如表6所示.

表6　正压法B类不确定度

2.4　比对结果

将基于标准罗茨流量计负压法与钟罩式气体流量标准装置正压法测量结果及其不确定度进行比对，其比对结果如表7所示.

表7　正负压检测方法结果比对

从表7可以看出，2种校准方法所得值相差不大，但是由于正压检测法B类不确定度分量来源较多，导致其相对不确定度值略高于负压检测法.

3结论

1) 通过对2套校准系统的不确定度分析，标准罗茨流量计负压法其测量不确定度要优于钟罩式正压法，影响钟罩式气体流量标准装置的不确定度因素较多.2种检测校准系统均满足精度要求.

2) 钟罩正压法优点：运转稳定，压力波动较小，精度高；缺点：钟罩容积为定值，可用于检测时间短；钟罩出口压力很小，且连接管路需要变径，孔口直径很小，造成压损较大，无法满足大流量孔口流量计的检测需求.

3) 标准表负压法优点：根据不同测量范围可选适当的标准表，管路设计安装简便易拆卸，能长时间提供稳定流量值，检测时间不受限制，其流量范围可完全覆盖大、中流量孔口流量计的检测；缺点：气源稳定性略差，功率要求较高；标准表脉动会影响校准精度.

参考文献:

[1]HJ/T 368—2007 . 环境保护产品技术要求标定总悬浮颗粒物采样器用的孔口流量计[S].

[2]宗慧娟，徐英华．标定总悬浮颗粒物采样器用的孔口流量计校准方法的探讨[J]．现代测量与实验室管理，2006(5)：15-16.

[3]龚雪平，丁芸．大流量孔口流量计的校准、数据处理及误差分析[J]．环境科学研究，1997，11(6)：53-57.

GONG Xueping, DING Yun. Calibration of high-volume orifice flowmeter and its data process, error analysis[J]. Research of Environmental Sciences, 1997，11(6)：53-57.

[4]李金海．误差理论与测量不确定度评定[M]．北京：中国计量出版社，2003：108-157.

[5]苏彦勋，梁国伟，盛健．流量计量与测试[M]．北京：中国计量出版社，2007：129-131.

(责任编辑：赵藏赏)