音速喷嘴气体流量标准装置在线校准

江航成,郭 刚,钭伟明

(金卡智能集团股份有限公司,浙江 杭州 310018)

0 引言

近年来,随着清洁能源的推广和城市的飞速发展,天然气的应用日趋普遍,燃气表具有计量精度较高、量程范围宽、稳定性好、价格低廉等优点,广泛应用于燃气的贸易结算。燃气表作为国家计量行政部门重点监管的计量器具,其计量的准确性至关重要。

燃气表的检定装置目前主要有钟罩式气体流量标准装置和标准表法气体流量标准装置。采用喷嘴作为标准表的气体流量标准装置,以其结构简单、性能稳定、准确度高、无可动部件、维护方便等特点,在气体流量仪表的检定及校准中得到广泛的应用[1-4]。此类流量标准装置已成为开展燃气表检定的主流标准装置。音速喷嘴气体流量标准装置(后续简称音速喷嘴装置)的校准方法,也成为分析研究重点。在已有的研究文献中,对音速喷嘴流出系数校准的深入研究表明,滞止压力对同一支音速喷嘴流出系数的最大影响达到2.3%,需要在实际使用的雷诺数下进行校准[5];归纳了湿度对音速喷嘴流出系数影响的几种常见修正方法,虽然修正方法存在明显差异,但修正后的结果均有很好的一致性[6]。另外,各类文献提出了不同装置对音速喷嘴的校准:国家计量院采用pVTt 法气体流量基准装置对音速喷嘴进行量值传递[7];国家石油天然气武汉站采用高压活塞体积管法检定音速喷嘴[8]。

就音速喷嘴装置而言,累积流量是导出量。除与音速喷嘴有关外,其还与温度、压力、湿度、时间等参数相关。因此,对累积流量的校准比较困难,相关研究文献较少,故有必要对累积流量的量值溯源进行深入研究。

1 装置结构原理

音速喷嘴装置由音速喷嘴、配套仪表(温度传感器、压力传感器、湿度传感器、晶振)、管路及动力系统、夹表及采样系统、计算机控制系统等组成。目前常见的装置多采用负压法,以真空泵作为动力源、稳定的大气作为气源,通过真空泵的抽气实现整个试验管路中空气的流动;通过计算机软件系统控制音速喷嘴的不同组合,得到所需的流量值。根据音速喷嘴的临界流特性,当气体通过喷嘴时,如喷嘴上、下游气流压力比达到某一特定数值,喷嘴喉部会形成临界状态,气流达到最大速度(当地音速),流过喷嘴的气体质量流量也达到最大。此时,气体流量只与喷嘴入口处的滞止压力和滞止温度有关,而不受其下游状态变化的影响。在滞止容器和被检燃气表处安装有温度传感器、压力传感器,用于测量流动状态下的介质温度和压力。当采集到被检表的第一个信号时,晶振开始计时,直至采集到最后一个信号后计时结束。结合该段运行时间喷嘴以及被检表的累积体积,考虑温度及压力修正,由系统软件进行数据处理并得出被检表误差。

2 目前校准方法

音速喷嘴装置指示的标准累积流量是由音速喷嘴、温度传感器、压力传感器、湿度传感器、晶振五者测试所得值,依据理论公式计算合成。首先,依据JJG620 规范对音速喷嘴进行校准;然后,按照相应的规程对于其他配套仪表进行检定或校准;最后,采用JJF1240 喷嘴装置校准规范,根据以上分项参数校准结果,对累积流量进行不确定度评定,得出装置的不确定指标。

事实上,装置指示的实际体积量还与温度、压力传感器的安装位置、硬件电路的模数转换精度、上位机数学模型软件算法等密切相关。由于流量是导出量,对气体流量检定装置直接进行量值溯源较为困难[9]。为满足检定流量点的要求,音速喷嘴装置会采用多个喷嘴组合的方法对被检表进行检定试验。多个不同喉部尺寸的喷嘴之间存在相互影响。由于喷嘴加工、安装和使用影响,不同音速喷嘴装置间多个喷嘴组合的试验结果是不同的[10]。按照JJG 620 规范对单个喷嘴进行检定,但该规范未考虑到多喷嘴组合情况。音速喷嘴装置比对往往采用准确度等级为1.5 级的膜式燃气表,缺乏相应高准确度的比对表。

装置在实际使用中可能存在以下问题:喷嘴前的阀门泄漏;小口径喷嘴可能达不到临界状态;小流量点设定的稳定时间过短,喷嘴达到临界状态,而被检表尚未达到[11];温度传感器安装位置不在流道上而在管路的死角;压力传感器与被检表间隔较远等。以上这些情况都会影响装置的准确度。音速喷嘴检定周期为5年,其余配套仪表均为1 年。由于每年均需拆卸送检,多次拆装易损坏且影响密封性。而检定需要时间,会造成停机影响生产。喷嘴及配套仪表送检,需要支付较高费用。

3 在线校准方法

为解决音速喷嘴气体流量标准装置目前校准方法存在的缺点,提出一种通过直接测量已知标准气体体积的在线校准新方法。活塞式气体流量标准装置(后续简称活塞标准装置)通过电机恒速转动带动活塞作平移运动,输出相应流量,具有试验流量稳定、精度高、测量范围宽、动态使用等特点。其主要用于检定临界流文丘里喷嘴,优点突出,是近年流量界的研究热点之一[12-13]。将活塞标准装置整套系统作为误差为0 的已知标准气体体积的高准确度比对表,由音速喷嘴装置在线测试其误差。在线校准的难点在于它们是两套不同的独立测试系统,无法直接测试。因此,需要构建一个虚拟表,使它们分别同步采样测得流经该虚拟表的实际气体体积并进行比较,从而达到校准目的。

音速喷嘴装置基于喷嘴出口与入口压力比达到临界流背压比之后,形成恒定的流量,且只与入口压力有关,而与出口压力无关。活塞标准装置采用主动式盘型活塞。电机驱动丝杆带动活塞平移形成流量。气缸内径、活塞外径等尺寸以及丝杆的加工精度确保截面积以及运行速度的恒定,从而产生具有稳定压力的恒定气体流量。

在线校准原理如图1 所示。

图1 在线校准原理图Fig.1 Schematic diagram of online calibration

活塞标准装置与音速喷嘴装置通过气管串联连接。气体从气缸内排出流经音速喷嘴。音速喷嘴装置选择某一流量后,音速喷嘴装置打开相应喷嘴,形成稳定的流量。活塞标准装置通过电机转速控制排出气体流量大小,直到活塞缸内的差压传感器显示差压在±20 Pa 内,判定两者流量一致。活塞标准装置排出的质量流量等于流经喷嘴的质量流量。连接管路上构建一个虚拟表。活塞标准装置装有信号触发器,通过信号触发开始与结束,计量该时间段内活塞排出气体体积;再根据虚拟表处的温度与压力,将此体积换算成流经虚拟表的实际气体体积。音速喷嘴装置在光电采样器接收到信号触发器的第一个信号开始计时,在接收到信号触发器的第二个信号时计时结束,测得该虚拟表的误差,进而计算出流经虚拟表的实际气体体积。活塞标准装置与音速喷嘴装置根据信号触发开始与结束,同步测试计算出同一虚拟表的实际气体体积,由此实现在线校准。

在定温、定压下,活塞装置排出的气体体积量计算见式(1)。在安装前,对活塞缸内径与丝杆套进行校准,从而实现量值溯源。

式中:V为活塞排出气体体积;D为活塞缸内径;d为丝杆套外径;L为运动位移。

运动位移等于编码器的长度脉冲系数与脉冲数的乘积见式(2)。长度脉冲系数在活塞装置安装完成后,通过激光测长仪校准得到。

式中:f为编码器的长度脉冲系数;n为长度脉冲数。

活塞装置流出的气体质量由式(3)算出,通过式(4)计算气体密度、式(5)计算湿空气修正系数。因为测试过程中活塞处气体的温度、压力、湿度保持不变,活塞装置测试开始与结束时的气体密度相等,根据式(6)可测得活塞装置排出的实际气体体积。

式中:mP为活塞装置排出的气体质量;ρ1、ρ2分别为测试开始和结束的活塞缸内气体密度;V1、V2分别为测试开始和结束的活塞缸容积;P为活塞缸内气体绝对压力;T为活塞缸内气体绝对温度;R为通用气体常数;Z为气体压缩因子;M为气体摩尔质量;k为湿空气修正系数;RH为气体相对湿度;Pb为气体饱和蒸汽压;Vp1为活塞装置排出的气体体积。

由于封闭管路系统中质量守恒,活塞装置排出与流经虚拟表的气体质量相等。根据理想气态方程,通过式(7)得到流经虚拟表的实际气体体积。音速喷嘴装置测得该虚拟表的误差δ。由式(8)可知,流经虚拟表的实际气体体积。通过同步测试虚拟表的实际体积,活塞标准装置与音速喷嘴装置互相关联。由式(9)可计算出活塞标准装置校准音速喷嘴装置累积流量的示值误差。

式中:Vp2为活塞标准装置测得虚拟表的实际气体积;Tm为虚拟表气体绝对温度;Pm为虚拟表气体绝对压力;Vs为音速喷嘴装置测得虚拟表的实际体积;δ为音速喷嘴装置测得虚拟表的的误差;E为活塞标准装置校准音速喷嘴装置的误差。

4 试验测试

流量范围为0.016～6 m3/h 的可移动立式主动活塞式气体流量标准装置,ur=0.05%,k=2;流量范围为0.016～6 m3/h 的音速喷嘴装置,ur=0.5%,k=2。试验以4 m3/h 为例进行说明。活塞标准装置底部安装有滚轮,可推到现场,通过管路与音速喷嘴装置串联。活塞标准装置设定成定时触发状态,音速喷嘴装置打开真空泵以及控制4 m3/h 流量喷嘴的气动阀,形成恒定的流量。测试过程分为调整、校准两个阶段。校准阶段分为准备、稳定、测试、停止四个步骤。调整阶段不断调节电机转速,确保活塞腔内气体与大气的差压控制在±20 Pa 以内,使活塞排出与音速喷嘴装置抽取的气体流量达成平衡。

①准备步骤:打开进气阀,使活塞标准装置电机的转速从0 到额定转速。此时,活塞腔与大气相通,活塞腔内气体的压力与大气压一致。气体由大气进入进气阀,经活塞标准装置被音速喷嘴装置抽取。

②稳定步骤:关闭进气阀,使气体由活塞腔被抽取。因为前面的调整阶段,活塞前进排出气体流量与音速喷嘴装置抽取流量形成平衡状态,活塞腔内气体压力与大气压差压稳定在±20 Pa 以内。

③校准步骤。

首先,给活塞标准装置的信号触发器一个信号,触发编码器开始计脉冲数,信号触发器LED 闪烁触发光电采样器,音速喷嘴装置开始计时。

然后,活塞标准装置排出气体量符合测试体积值要求时,再给信号触发器一个信号。此时,触发编码器停止计数,信号触发器LED 闪烁触发光电采样器,使音速喷嘴装置结束计时。活塞标准装置根据脉冲数计算累积流量。

最后,音速喷嘴装置根据时间,计算出累积流量,测得虚拟表的误差。

④结束步骤:进气阀打开,电机从额定转速下降到0。此时,活塞腔与大气相通。

根据以上操作流程,在4 m3/h 流量下,在线校准误差如表1 所示。

表1 在线校准误差Tab.1 Error of the online calibration tests

由表1 可知,校准误差都在0.2%以内,平均值为0.14%,重复性达到0.03%。因此,活塞标准装置在线校准音速喷嘴装置累积流量方法准确可行。

5 不确定度评定

活塞标准装置校准音速喷嘴装置累积流量的不确定度评定,根据式(1)、式(2)、式(7)、式(9)得出校准误差如下:

根据式(10),校准的合成标准相对不确定评定为:

①ur(V)为活塞标准装置的相对标准不确定度。

活塞装置的扩展不确定度为0.05 %,置信概率P=95 %,包含因子k=2。按正态分布考虑,其标准不确定度为:

②ur(Vs)为音速喷嘴装置重复性的相对标准不确定度。

校准6 遍,测试的重复性为0.03%,ur(Vs)=0.03%

③ur(T)为活塞装置温度测量引起的相对标准不确定度。

温度变送器证书给出的最大误差为0.10 ℃,按照均匀分布为:

④ur(Tm)为虚拟表处温度测量引起的相对标准不确定度。

温度变送器证书给出的最大误差为0.20 ℃,按照均匀分布为:

⑤ur(P)为活塞标准装置压力测量引起的相对标准不确定度。

0.05级的绝对压力变送器,满量程为120 kPa,理论电流为20 mA,实际最大偏差为0.009 mA,则最大误差为54 Pa。考虑到压力波动最大20 Pa,按照均匀分布为:

⑥ur(Pm)为虚拟表处压力测量引起的相对标准不确定度。

0.2级的绝对压力变送器,满量程为110 kPa,理论电流20 mA,实际最大偏差为0.010 mA,则考虑到最大误差为55 Pa,按照均匀分布为:

根据式(11)计算,校准的扩展相对不确定度ur(E)=0.16%、k=2。

6 结论

以流量范围为0.016～6 m3/h、扩展不确定度为0.05%的可移动式活塞标准装置作为误差为0 的标准表。流量范围为0.016～6 m3/h、扩展不确定度为0.5%的音速喷嘴装置,在4 m3/h 流量下测试其累积流量误差为0.14%,其扩展不确定度达到0.16%。试验结果验证了在线校准的准确性与可行性。

采用该方法校准有以下三个明显优点。

①全面、综合评定音速喷嘴装置的计量性能,不仅包括所涉及的全部计量仪表的计量准确性,还包括测试软件算法、使用环境的影响、校准操作方法等。

②在线性校准优点是不用拆卸、操作简单便捷、成本低廉,不影响生产。

③该方法是直接对累积流量的校准。该方法也为其他流量标准装置的累积流量的溯源提供参考与借鉴。采用该高准确度的标准表作为传递标准进行量值比对,能使国家流量基准与其他各级标准有望实现真正意义上的累积流量量值溯源。