气体流量现场校准过程中常见问题探讨

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・58・ 经验与体会 201 1年第31卷第3期 

气体流量现场校准过程中常见问题探讨 

朱顺平 

(南京机电液压工程研究中心,江苏南京211102) 

摘要:以音速喷嘴气体质量流量现场校准方法为例,针对影响气体流量现场校准准确度的常见问题——一 “气源波动度大”及“气体湿度修正”,分别进行了分析并给出了相应的解决方案。 关键词:音速喷嘴;气体质量流量;气源波动度;累积流量;湿度 中图分类号:TB937 文献标识码:B 文章编号:1674—5795(2011)03—0058—02 

1 问题的提出 

在气体流量测量中,影响气体流量测量结果准确 性的因素较多,归纳起来主要有以下几个方面:①流 

量计自身的测量准确度;②配套数据采集及显示系统 的准确度;③流量测量现场的环境影响(包括气体 

介质密度、温度、流量计进出口压力、气源波动度、 

管路系统密闭性等);④流量计安装是否符合要求。 将流量计单独拆下送实验室检定的做法,只能确保流 

量计自身的准确性,根本无法保证实际使用中流量测 量结果准确可靠。因此,气体流量现场校准逐步成为 

一种势在必行的发展趋势。 

目前,国内很多计量站(尤其是与科研生产紧 密相关的二级计量站)在进行气体流量现场校准时, 

普遍会遇到标准器现场安装不便、现场校准不确定因 

素较多、准确度难以提高等问题。本文以现场校准最 常见的音速喷嘴气体质量流量校准方法为例,对气体 

流量现场校准准确度的问题进行探讨。 

2音速喷嘴法气体质量流量现场校准原理 

音速喷嘴法气体质量流量标准装置以其携带方 便、安装快捷、标准器准确度高等特点被广泛应用于 

气体流量现场校准中。现场校准原理如图1所示,将 

标准装置串联于被测系统下游,利用音速喷嘴校准原 理——当喷嘴出口压力与人口滞止压力之比小于等于 临界压力比r+时(r 值参照相关技术文件得到,空 

气为0.528),流经音速喷嘴喉部的气体流速达到恒 

定,此时气体质量流量仅和流过喷嘴入口处的气体介 

质密度成正比。通过采集喷嘴人口压力P、气体温度 

、湿度 ,计算出流过喷嘴的标准质量流量Q标,与 

收稿日期:2011—02—16 作者简介:朱J顿平(1976一),男,T程师,从事力学计量工作。 此时被测系统显示流量9被比较,得出被测系统示值 误差△Q:Q被一Q标。 

标准质量流量计算公式为 

Q标: (1)Q标=— () 、,1 式中:P为音速喷嘴前滞止绝对压力,kPa;T为音速 

喷嘴前滞止绝对温度,K;k为流量系数;k 为气体 

湿度修正系数。 

1一被校流量计;2一阀门;3一前管道;4一音速喷嘴;5一 法兰盘;6一后管道;7一湿度计;8一数据采集器;9一打 印机;10一计算机;11一温度传感器;12一绝压变送器 图1 气体流量现场校准原理图 

3 影响现场校准准确性的因素及解决方法 

3.1气源波动度 

3.1.1影响原因 现场校准时的气源大多模拟产品实际使用工况, 

气源波动度一般较大(通常要大于0.5%),不可能 

像校准实验室一样稳定(通常不大于0.05%)。 

此,在进行流量现场校准时普遍存在气源波动大的问 

题。由流量连续性原理,流量传递需要时间,若气源 

波动度大必然会导致同一时刻流经被校流量计的流量 和流经标准器的流量不等(两者之差计为△q),此 

时若采用常规的同步瞬时读数方法读取被检流量和标 计测技术 经验与体会 ・59・ 

准流量,最终计算得到的被测系统示值误差中就会多 

出一部分因气源波动而引入的系统误差△q,并且波 动幅度越大,所引入的△q就可能越大。以气源波动 

度0.5%为例,其引入的系统误差所占百分比也可能 达到0.5%。因此,气源波动度较大会严重降低现场 

校准的准确性。 

3.1.2解决方法 气源波动度对流量校准结果的影响,可归结于流 

量传递时间上的延迟,造成流经被校流量计的流量和 流经标准器的流量不等,从而引入了一个系统误差。 

因此,要降低气源波动度对流量校准结果的影响,可 以从传递时间延迟和减少系统误差所占比例两方面人 

手。具体解决办法:①测量被校流量计和音速喷嘴之 

间的实际距离以及气体流速,计算出流量传递所需时 间 ,在采集时将标准信号采集起止时间延迟△ ,尽 

可能确保标准和被校器之间所测流量的同步性。②增 加每一校准点的流量累加时间 ,通过计算这段时间 内被校累积流量和标准累积流量比较,得到被测系统 

示值误差。如图2所示,由于增加了累积时间 ,增 

大了累积流量值Q ,从而降低了系统误差所占的百 分比Aq/Q ,达到了提高校准准确性的目的。 

图2流量积算示意图 

3.2气体湿度 

在很多校准场合由于采用的是未经除湿的气体, 

为了提高校准效率,通常会采用两种做法:①不考虑 湿度影响,不进行湿度测量及修正;②不进行气体湿 

度的测量,凭经验估计一个湿度值代人公式计算标准 

流量。为了验证两种做法的可行性,我们分别对气体 湿度对流量测量结果的影响量以及气体湿度变化量对 

流量测量结果的影响量进行分析。 3.2.1 气体湿度对流量测量结果的影响 

气体流量湿度修正系数k 计算公式为 

k = ̄/1—0.3778 ̄ppH/p (2) 

式中:P为音速喷嘴前滞止绝对压力,kPa;P 为音速 

喷嘴入口前气体饱和水蒸汽压力,数据见表1,kPa; 为音速喷嘴入口前相对湿度。 

以气体湿度60%,P为200 kPa为例,分别计算 0,20,40,60%时的修正系数k ,结果如表1所示。 

表1 不同温度时的饱和水蒸气压和温度修正系数 

由表1可以看出,当温度超过20℃时湿度对流 量测量结果的影响量超过了0.1%,对测量结果不确 

定度的贡献量较大,并且可以看出随着温度的增加影 响量显著上升。因此,可以认为第一种方法即使是在 

常温下使用也是非常不准确的,严重影响流量校准的 

准确性。 3.2.2 气体湿度变化量对流量测量结果的影响 对公式(2)求导,得湿度修正系数随湿度的变 化情况为 

一0.3778pH/p (3) 

假设p为200 kPa,经验估计气体湿度为60%, 

代人公式,得出在不同温度下的dk/ 值如表3。 

表2不同温度时的湿度修正系数随湿度的变化量 

通过表3可以估算出:湿度每变化10%,修正 

系数变化0.O11%,0.044%,0.14%,…。因此, 在温度超过60℃时,若湿度估计误差超过10%(湿 

度估计误差大于10%是很正常的),估计误差给流量 

测量结果造成的影响量超过0.24%,对测量结果不 确定度的贡献量较大,不能忽略。因此,我们认为仅 

当气体湿度相对干燥,温度为常温或低温情况下,第 二种做法才有可能对流量校准结果不造成较大影响。 

综上所述,在气体流量现场校准中,应尽可能避 免上述两种做法,湿度的测量和修正一般不可省略。 

参考文献 [1]JJG 620—1994临界流流量计检定规程[S]. [2]GB/T 2624—1993用安装在圆形截面管道中的差压装置 测量满管流体流量[S]. [3]JJG(航空)079—1998环境控制系统试验台测量设备检 定规程[S]. [4]童景山.流体的热物理性质[M].北京:中国石化出版 社.1996.