音速噴嘴氣體流量標準裝置在線校準

江航成,郭 剛,鈄偉明

(金卡智能集團股份有限公司,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展,天然氣的應用日趨普遍,燃氣表具有計量精度較高、量程范圍寬、穩定性好、價格低廉等優點,廣泛應用于燃氣的貿易結算。燃氣表作為國家計量行政部門重點監管的計量器具,其計量的準確性至關重要。

燃氣表的檢定裝置目前主要有鐘罩式氣體流量標準裝置和標準表法氣體流量標準裝置。采用噴嘴作為標準表的氣體流量標準裝置,以其結構簡單、性能穩定、準確度高、無可動部件、維護方便等特點,在氣體流量儀表的檢定及校準中得到廣泛的應用[1-4]。此類流量標準裝置已成為開展燃氣表檢定的主流標準裝置。音速噴嘴氣體流量標準裝置(后續簡稱音速噴嘴裝置)的校準方法,也成為分析研究重點。在已有的研究文獻中,對音速噴嘴流出系數校準的深入研究表明,滯止壓力對同一支音速噴嘴流出系數的最大影響達到2.3%,需要在實際使用的雷諾數下進行校準[5];歸納了濕度對音速噴嘴流出系數影響的幾種常見修正方法,雖然修正方法存在明顯差異,但修正后的結果均有很好的一致性[6]。另外,各類文獻提出了不同裝置對音速噴嘴的校準:國家計量院采用pVTt 法氣體流量基準裝置對音速噴嘴進行量值傳遞[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,累積流量是導出量。除與音速噴嘴有關外,其還與溫度、壓力、濕度、時間等參數相關。因此,對累積流量的校準比較困難,相關研究文獻較少,故有必要對累積流量的量值溯源進行深入研究。

1 裝置結構原理

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)、管路及動力系統、夾表及采樣系統、計算機控制系統等組成。目前常見的裝置多采用負壓法,以真空泵作為動力源、穩定的大氣作為氣源,通過真空泵的抽氣實現整個試驗管路中空氣的流動;通過計算機軟件系統控制音速噴嘴的不同組合,得到所需的流量值。根據音速噴嘴的臨界流特性,當氣體通過噴嘴時,如噴嘴上、下游氣流壓力比達到某一特定數值,噴嘴喉部會形成臨界狀態,氣流達到最大速度(當地音速),流過噴嘴的氣體質量流量也達到最大。此時,氣體流量只與噴嘴入口處的滯止壓力和滯止溫度有關,而不受其下游狀態變化的影響。在滯止容器和被檢燃氣表處安裝有溫度傳感器、壓力傳感器,用于測量流動狀態下的介質溫度和壓力。當采集到被檢表的第一個信號時,晶振開始計時,直至采集到最后一個信號后計時結束。結合該段運行時間噴嘴以及被檢表的累積體積,考慮溫度及壓力修正,由系統軟件進行數據處理并得出被檢表誤差。

2 目前校準方法

音速噴嘴裝置指示的標準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、晶振五者測試所得值,依據理論公式計算合成。首先,依據JJG620 規范對音速噴嘴進行校準;然后,按照相應的規程對于其他配套儀表進行檢定或校準;最后,采用JJF1240 噴嘴裝置校準規范,根據以上分項參數校準結果,對累積流量進行不確定度評定,得出裝置的不確定指標。

事實上,裝置指示的實際體積量還與溫度、壓力傳感器的安裝位置、硬件電路的模數轉換精度、上位機數學模型軟件算法等密切相關。由于流量是導出量,對氣體流量檢定裝置直接進行量值溯源較為困難[9]。為滿足檢定流量點的要求,音速噴嘴裝置會采用多個噴嘴組合的方法對被檢表進行檢定試驗。多個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噴嘴組合的試驗結果是不同的[10]。按照JJG 620 規范對單個噴嘴進行檢定,但該規范未考慮到多噴嘴組合情況。音速噴嘴裝置比對往往采用準確度等級為1.5 級的膜式燃氣表,缺乏相應高準確度的比對表。

裝置在實際使用中可能存在以下問題:噴嘴前的閥門泄漏;小口徑噴嘴可能達不到臨界狀態;小流量點設定的穩定時間過短,噴嘴達到臨界狀態,而被檢表尚未達到[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等。以上這些情況都會影響裝置的準確度。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。而檢定需要時間,會造成停機影響生產。噴嘴及配套儀表送檢,需要支付較高費用。

3 在線校準方法

為解決音速噴嘴氣體流量標準裝置目前校準方法存在的缺點,提出一種通過直接測量已知標準氣體體積的在線校準新方法。活塞式氣體流量標準裝置(后續簡稱活塞標準裝置)通過電機恒速轉動帶動活塞作平移運動,輸出相應流量,具有試驗流量穩定、精度高、測量范圍寬、動態使用等特點。其主要用于檢定臨界流文丘里噴嘴,優點突出,是近年流量界的研究熱點之一[12-13]。將活塞標準裝置整套系統作為誤差為0 的已知標準氣體體積的高準確度比對表,由音速噴嘴裝置在線測試其誤差。在線校準的難點在于它們是兩套不同的獨立測試系統,無法直接測試。因此,需要構建一個虛擬表,使它們分別同步采樣測得流經該虛擬表的實際氣體體積并進行比較,從而達到校準目的。

音速噴嘴裝置基于噴嘴出口與入口壓力比達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,而與出口壓力無關。活塞標準裝置采用主動式盤型活塞。電機驅動絲桿帶動活塞平移形成流量。氣缸內徑、活塞外徑等尺寸以及絲桿的加工精度確保截面積以及運行速度的恒定,從而產生具有穩定壓力的恒定氣體流量。

在線校準原理如圖1 所示。

圖1 在線校準原理圖Fig.1 Schematic diagram of online calibration

活塞標準裝置與音速噴嘴裝置通過氣管串聯連接。氣體從氣缸內排出流經音速噴嘴。音速噴嘴裝置選擇某一流量后,音速噴嘴裝置打開相應噴嘴,形成穩定的流量。活塞標準裝置通過電機轉速控制排出氣體流量大小,直到活塞缸內的差壓傳感器顯示差壓在±20 Pa 內,判定兩者流量一致。活塞標準裝置排出的質量流量等于流經噴嘴的質量流量。連接管路上構建一個虛擬表。活塞標準裝置裝有信號觸發器,通過信號觸發開始與結束,計量該時間段內活塞排出氣體體積;再根據虛擬表處的溫度與壓力,將此體積換算成流經虛擬表的實際氣體體積。音速噴嘴裝置在光電采樣器接收到信號觸發器的第一個信號開始計時,在接收到信號觸發器的第二個信號時計時結束,測得該虛擬表的誤差,進而計算出流經虛擬表的實際氣體體積。活塞標準裝置與音速噴嘴裝置根據信號觸發開始與結束,同步測試計算出同一虛擬表的實際氣體體積,由此實現在線校準。

在定溫、定壓下,活塞裝置排出的氣體體積量計算見式(1)。在安裝前,對活塞缸內徑與絲桿套進行校準,從而實現量值溯源。

式中:V為活塞排出氣體體積;D為活塞缸內徑;d為絲桿套外徑;L為運動位移。

運動位移等于編碼器的長度脈沖系數與脈沖數的乘積見式(2)。長度脈沖系數在活塞裝置安裝完成后,通過激光測長儀校準得到。

式中:f為編碼器的長度脈沖系數;n為長度脈沖數。

活塞裝置流出的氣體質量由式(3)算出,通過式(4)計算氣體密度、式(5)計算濕空氣修正系數。因為測試過程中活塞處氣體的溫度、壓力、濕度保持不變,活塞裝置測試開始與結束時的氣體密度相等,根據式(6)可測得活塞裝置排出的實際氣體體積。

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

由于封閉管路系統中質量守恒,活塞裝置排出與流經虛擬表的氣體質量相等。根據理想氣態方程,通過式(7)得到流經虛擬表的實際氣體體積。音速噴嘴裝置測得該虛擬表的誤差δ。由式(8)可知,流經虛擬表的實際氣體體積。通過同步測試虛擬表的實際體積,活塞標準裝置與音速噴嘴裝置互相關聯。由式(9)可計算出活塞標準裝置校準音速噴嘴裝置累積流量的示值誤差。

式中:Vp2為活塞標準裝置測得虛擬表的實際氣體積;Tm為虛擬表氣體絕對溫度;Pm為虛擬表氣體絕對壓力;Vs為音速噴嘴裝置測得虛擬表的實際體積;δ為音速噴嘴裝置測得虛擬表的的誤差;E為活塞標準裝置校準音速噴嘴裝置的誤差。

4 試驗測試

流量范圍為0.016～6 m3/h 的可移動立式主動活塞式氣體流量標準裝置,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。試驗以4 m3/h 為例進行說明。活塞標準裝置底部安裝有滾輪,可推到現場,通過管路與音速噴嘴裝置串聯。活塞標準裝置設定成定時觸發狀態,音速噴嘴裝置打開真空泵以及控制4 m3/h 流量噴嘴的氣動閥,形成恒定的流量。測試過程分為調整、校準兩個階段。校準階段分為準備、穩定、測試、停止四個步驟。調整階段不斷調節電機轉速,確保活塞腔內氣體與大氣的差壓控制在±20 Pa 以內,使活塞排出與音速噴嘴裝置抽取的氣體流量達成平衡。

①準備步驟:打開進氣閥,使活塞標準裝置電機的轉速從0 到額定轉速。此時,活塞腔與大氣相通,活塞腔內氣體的壓力與大氣壓一致。氣體由大氣進入進氣閥,經活塞標準裝置被音速噴嘴裝置抽取。

②穩定步驟:關閉進氣閥,使氣體由活塞腔被抽取。因為前面的調整階段,活塞前進排出氣體流量與音速噴嘴裝置抽取流量形成平衡狀態,活塞腔內氣體壓力與大氣壓差壓穩定在±20 Pa 以內。

③校準步驟。

首先,給活塞標準裝置的信號觸發器一個信號,觸發編碼器開始計脈沖數,信號觸發器LED 閃爍觸發光電采樣器,音速噴嘴裝置開始計時。

然后,活塞標準裝置排出氣體量符合測試體積值要求時,再給信號觸發器一個信號。此時,觸發編碼器停止計數,信號觸發器LED 閃爍觸發光電采樣器,使音速噴嘴裝置結束計時。活塞標準裝置根據脈沖數計算累積流量。

最后,音速噴嘴裝置根據時間,計算出累積流量,測得虛擬表的誤差。

④結束步驟:進氣閥打開,電機從額定轉速下降到0。此時,活塞腔與大氣相通。

根據以上操作流程,在4 m3/h 流量下,在線校準誤差如表1 所示。

表1 在線校準誤差Tab.1 Error of the online calibration tests

由表1 可知,校準誤差都在0.2%以內,平均值為0.14%,重復性達到0.03%。因此,活塞標準裝置在線校準音速噴嘴裝置累積流量方法準確可行。

5 不確定度評定

活塞標準裝置校準音速噴嘴裝置累積流量的不確定度評定,根據式(1)、式(2)、式(7)、式(9)得出校準誤差如下:

根據式(10),校準的合成標準相對不確定評定為:

①ur(V)為活塞標準裝置的相對標準不確定度。

活塞裝置的擴展不確定度為0.05 %,置信概率P=95 %,包含因子k=2。按正態分布考慮,其標準不確定度為:

②ur(Vs)為音速噴嘴裝置重復性的相對標準不確定度。

校準6 遍,測試的重復性為0.03%,ur(Vs)=0.03%

③ur(T)為活塞裝置溫度測量引起的相對標準不確定度。

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)為虛擬表處溫度測量引起的相對標準不確定度。

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)為活塞標準裝置壓力測量引起的相對標準不確定度。

0.05級的絕對壓力變送器,滿量程為120 kPa,理論電流為20 mA,實際最大偏差為0.009 mA,則最大誤差為54 Pa。考慮到壓力波動最大20 Pa,按照均勻分布為:

⑥ur(Pm)為虛擬表處壓力測量引起的相對標準不確定度。

0.2級的絕對壓力變送器,滿量程為110 kPa,理論電流20 mA,實際最大偏差為0.010 mA,則考慮到最大誤差為55 Pa,按照均勻分布為:

根據式(11)計算,校準的擴展相對不確定度ur(E)=0.16%、k=2。

6 結論

以流量范圍為0.016～6 m3/h、擴展不確定度為0.05%的可移動式活塞標準裝置作為誤差為0 的標準表。流量范圍為0.016～6 m3/h、擴展不確定度為0.5%的音速噴嘴裝置,在4 m3/h 流量下測試其累積流量誤差為0.14%,其擴展不確定度達到0.16%。試驗結果驗證了在線校準的準確性與可行性。

采用該方法校準有以下三個明顯優點。

①全面、綜合評定音速噴嘴裝置的計量性能,不僅包括所涉及的全部計量儀表的計量準確性,還包括測試軟件算法、使用環境的影響、校準操作方法等。

②在線性校準優點是不用拆卸、操作簡單便捷、成本低廉,不影響生產。

③該方法是直接對累積流量的校準。該方法也為其他流量標準裝置的累積流量的溯源提供參考與借鑒。采用該高準確度的標準表作為傳遞標準進行量值比對,能使國家流量基準與其他各級標準有望實現真正意義上的累積流量量值溯源。