工業氣體流量計檢定設備知識
2015-12-23
一、前言
在過去的三年中，對工業氣體流量計的檢定要求大大增加。主要體現在以下三個方面：
l、用天然氣進行的高壓氣體流量計的檢定不僅僅限于渦輪氣體流量計，而且還有孔板式、文丘里管式及渦流擋板式流量計。
2、對小型流量計的低氣體流量(小于3.5m3/h)檢定，諸如熱質量流量計、質量流量控制器、醫療衛生設備用的可變面積儀表和檢測器。
3、除用空氣或天然氣之外的氣體的檢定及在不同操作條件(不同壓力或不同氣體)下的檢定。
鑒于這些情況，荷蘭計量院研制出一種新型的低流量檢測裝置，且使2臺現有檢定裝置實現了自動化。另外，在Bergum增設高壓檢測設施很有必要，這已列入1993年計劃當中。
表1給出了荷蘭對工業氣體流量計進行法律鑒定、檢定和測試的現有設施。該表提供了這些檢測裝置的特性，諸如流量、操作壓力及檢測所使用的氣體類型。對于所列的設施，荷蘭計量院的合作伙伴將負責進行法律鑒定和頒發檢定證書。除了表1中所列設施之外，配氣公司和氣體流量計制造廠檢測裝置的數量也有所增加。
二、高壓檢測裝置
荷蘭有幾臺高壓流量檢測裝置。從檢定設施或溯源性方面看，Groningen、Bergum和Westerbork的檢測裝置很重要。這3臺裝置在操作條件下的檢定可用天然氣作為檢定介質。
1.Groningen的高壓檢測裝置
Groningen的高壓檢測裝置設計為一臺研究裝置。該裝置的所有者Gasunie公司利用這臺裝置對氣體流量計、裝置效應、減壓器和其他設備進行研究。被檢測裝置可安裝在檢測裝置中的幾個部位，構成最合適的配置。該裝置很少用于氣體流量計的正常檢定。然而，它對荷蘭其他高壓檢測裝置的溯源起了非常重要的作用。
表1對工業氣體流量計進行或合作進行法律鑒定、檢定和檢測所用的測試設備
裝置名稱裝置所有方位置流量氣體類型絕壓范圍(bar)低流量檢測裝置NMiDordrecht2×10-5～3.5空氣、天然氣或鋼瓶氣體10.5m3鐘罩NMiDordrecht0.1～65空氣或天然氣11m3鐘罩NMiDordrecht0.4～160空氣13.5m3鐘罩NMiDordrecht0.4～400空氣或天然氣1檢測管線NMiDordrecht5～1000空氣1高流量檢測裝置NMiDordrecht40～12×103空氣1內部檢測管線InstrometSilvolde8～10×103空氣1外部檢測管線InstrometSilvolde20～25×103空氣1高壓檢測管線GasunieGroningen45～36×103天然氣9～41高壓檢測管線NMiBergum45～132×103天然氣9～51高壓檢測管線GasunieWesterbork6000～2.4×106天然氣60高壓檢測管線InstrometUtrecht45～90×103天然氣9標準體積管回路ShellPernis5～200乙烯80
注：除乙烯標準體積管回路流量為在線條件外，其余流量均為正常運行條件(0oC,1.01325bar)
位于Groningen的檢測裝置，如圖1所示，配有2套標準氣體流量計。其中一套由10個并聯的容積式(CVM)氣體流量計組成。在在線條件下，每個流量計的最大流量為400m3/h。這種容積式流量計像Bergum傳遞標準一樣，只用于檢定高標準流量計。另一套標準氣體流量計是Groningen日常研究使用的檢測裝置的工作標準。這套流量計是由一個最大能力為400m3/h的容積式氣體流量計和4個最大能力分別為650m3/h、1600m3/h和2個4000m3/h的渦輪氣體流量計組成。
由于該裝置結構的原因，可直接采用一套10個容積式流量計標準來檢定工作標準。
在Groningen，這些容積式流量計標準始終運行在6bar的絕壓條件下。而被測驗的流量計可在9～41bar壓力之間運行。當試驗壓力超過9bar時，應將該壓力降至測試流量計和標準之間的范圍。由于壓力下降，應將該氣體加熱到實驗室溫度。鑒于壓力下降且氣體溫度應以手動控制，此時，尤其是在低流量條件下進行檢定，很消耗時間，如果該壓力降至試驗流量計和標準之間范圍，則氣體的壓縮性便起著很關鍵的作用。計算壓縮系數，既可采用AGANX-19-mod算法，也可采用簡化的GERG方程。由于壓縮系數取決于氣體的組分，因此應利用在線氣相色譜儀來確定氣體成分的摩爾分數。這些參數可從氣體的組分計算出來，它們是壓縮系數算法的輸入參數。
2.Bergum的高壓檢測裝置
Bergum的高壓檢測裝置設計用于檢定氣體流量計。如圖2所示，該檢測裝置與一個668MW發電廠的供氣站平行排列。該裝置的操作壓力范圍為9～15bar壓力達到21bar。的最大流量為88000m3/h，而當壓力在21～51bar之間時的流量則為130000。單位表示該流量已轉換為正常條件(0oC,1.01325bar)
圖1Groningen高壓檢測裝置平面示意圖。左側的10臺容積式流量計為高壓基準表。該圖右側的工作標準則用于檢驗
檢測裝置的標準氣體流量計包括4臺最大處理能力為4000m3/h的渦輪式氣體流量計，一臺處理能力為1000m3/h的渦輪式氣體流量計及兩臺處理能力分別為400m3/h和1000m3/h的CVM氣體流量計。
在Bergum的裝置上，標準氣體流量計和被檢測的流量計均在大約相同的壓力條件下運行。這種做法的優點是，在檢定過程中，不會產生因氣體壓縮系數算法而導致的其他不確定度。但它也有缺點，即，標準氣體流量計本身需要在幾種不同的壓力條件下進行檢定。Bergum的標準氣體流量計是在9bar、21bar、36bar和51bar的壓力條件下進行檢定的。該標準在檢定壓力間的校準系數通過插值誤差曲線圖獲得，圖中繪制了檢定曲線與流量相對應的雷諾數關系曲線。
進人該檢測裝置的氣體經過2個(安全)關閉閥門、一個過濾器和一個加熱器后到達二級減壓器。測試壓力通過此減壓器進行控制。在減壓器之后有4條平行的檢測管線。其中3條管線法蘭間的長度為5.lm，而另一條測試管線法蘭間的長度則為11m。這些流量計的直徑可以檢定，范圍為50～600mm(ANSI或DIN法蘭)。
氣體通過被檢測流量計后又經過一個或幾個標準氣體流量計。此后，壓力下降，氣體返回到電廠的供氣管線。
在Bergum的檢測裝置上，對來自世界各地的氣體流量計進行檢定。渦流擋板流量計占檢定流量計的15%左右，剩下的則為孔板、文丘里管、噴嘴、旋渦式流量計、插入式流量計、超聲波流量計等。近年來，在Bergum測試裝置上進行檢定的流量計數量大大增加(每年為17%)。這充分表明，在操作條件下檢定對于氣體流量計用戶具有更為重要的意義。另外，孔板、噴嘴、文丘里管檢定的數量也大大增加。
鑒于在此裝置上進行檢定的流量計數量很大，因此必須經常檢查標準氣體流量計。在新配置的檢測裝置上安裝了特殊的檢測儀表，用于檢測流量達到25000m3/h的流量計。這樣，便可在檢定期間連續檢查工作標準。每周臨時插入傳遞標準，檢查較高流量條件下的工作標準。
圖2Bergum高壓檢測裝置的平面示意圖。用于控制低流量的音速噴嘴用SN表示，HE為換熱器
3.Westerbork的高壓檢測裝置
本文撰稿時，Westerbork的檢測裝置是世界上具有最高流量的裝置。流經該裝置的天然氣在大約60bar的壓力條件下最大量為2.4×104。該裝置歸屬于Casunie所有，部分時間用于由Casunie進行的研究工作，而部分時間則用于由荷蘭計量院進行的檢定工作。該檢測裝置靠近從Slochteren氣田到Ommen混輸站的兩條大口徑氣管線(1050mm和1200mm)。在校準過程中，這些輸氣管線中的氣體流經檢測裝置的旁通(見圖3)。經過測試裝置的流量由旁通節流進行控制。氣體首先通過該裝置的10個標準氣體流量計。這些標準流量計為渦輪氣體流量計，最大通過能力為4000m3/h，因此，在實際條件下的最大通過能力為40000m3/h。這種最大的氣體流量只有在荷蘭寒冷季節，氣體消耗量相當大時才能達到。
該氣體經過標準流量計后又流經兩個測試管中的其中一條。一條檢測管線用于直徑達到400mm的氣體流量計。而第二條管線通常用于直徑為500mm或更大直徑的流量計。在這個裝置上可進行2個或3個串聯流量計的校準。由于該檢測裝置實際上是兩條主要輸氣管線的旁通，因此，只有在管線壓力約為60bar時方可進行校準工作。
曾在Westerbork校準的最大氣體流量計是兩臺美國的900mm(36in)文丘里管。1992年1月，采用約為2.0×106的最大氣體流量對這些文丘里管進行了校準。
圖3Westerbork高壓檢測裝置平面示意圖
三、NMi低壓校準裝置
與Westerbork非常高的流量相反，位于Dordrecht的新型低流量檢測裝置特定用于校驗最大流量為3m3/h的氣體流量計。低流量裝置的操作范圍為2×10-5～3m3/h。可進行校準的儀表為濕式檢測儀表、旋轉活塞流量計、質量流量控制器、可變面積流量計(轉子流量計)、熱質量流量計、皂膜流量計、醫用呼吸設備檢測器及汞密封活塞標準體積管。
圖4給出的示意裝置包括4個汞密封活塞標準體積管，它們作為標準流量計使用；4個質量流量控制器，它們產生一個恒定的質量流量；還有一臺被檢測的流量計。這些標準體積管的標稱容量分別為60mL、480mL、3500mL和13000mL。實質上，一個質量流量控制器包括一個控制閥，該閥形成一定的質量流量；一臺熱質量流量計及一個反饋系統，該系統將實際質量流量與預設質量流量相比較且對控制閥進行調節。采用熱敏電阻測量汞密封活塞標準體積管入口處及被檢測流量計的溫度。采用一個單獨壓差變送器可測出管入口及被測試流量計的壓力與環境壓力的差值。測量時采用2個三通閥。過壓保護裝置可避免壓力傳感器的壓差太高。
汞密封活塞標準體積管由一個立式精確玻璃管組成，該玻璃管具有恒定直徑和一個平滑的表面，它置于一個支架上，該支架有分開的入口和出口連接管。此玻璃管的頂部有一個開式接管，與大氣相通。玻璃管內有一個活塞，它可以上下移動，此活塞為玻璃纖維復合材料。它的外側有一個凹槽，槽內充滿了汞，大大減小了玻璃管和活塞間的摩擦。為了提供一個較穩定的溫度，最小的玻璃管還配備了一個水套。
緊挨著玻璃管，安裝了五對紅外線變送器和接收傳感器(S0～S4)。該變送器給接收器發送已調制的紅外線光，當光束被活塞中斷時，則產生一個脈沖。最低的傳感器S0是一個啟動傳感器，它開始一個外部時間測定。從S1～S3中選定一個停止傳感器來中止時間測定。
圖4Dordrecht低流量檢測裝置的平面示意圖。該裝置包括4個汞密封活塞體積管(PP1～PP4)，4個質量流量控制器(MFC1～MFC4)及一個差壓變送器(△P)。序號1～19是指由計算機操作的閥門，H1和H2為手動操作閥門，S0～S4為紅外線傳感器，溫度變送器用Ti標示
鑒于啟動傳感器與S1～S3停止傳感的每一個傳感器間的容積是已知的，因此可計算出流量。S4是一個安全傳感器，由它打開管子出口閥，從而放掉玻璃管中的空氣。這種預防性措施可防止活塞從管中噴出且避免實驗室中汞溢出。
采用低流量檢測裝置進行的校準過程如下。單個使用質量流量控制器(圖4中的MFC1～MFC4)或聯合起來使用以建立一個預定的質量流量。將流量導入被檢測的流量計。質量流量控制器需要三分鐘穩定時間才能建立起相當穩定的流量。一旦穩定后，該穩定流量由被檢測的流量計進行測定。然后，將該流量引入汞密封活塞標準體積管中。這時，質量流量則采用該體積管進行測定。然后，再由被檢測的流量計和汞密封活塞體積管測量一次。將這兩個測量值進行比較看看流量條件是否足夠穩定。最后，再將汞密封活塞體積管和被檢測儀表的讀數進行互相比對，從而計算出后者存在的誤差。
除空氣外，任何其他氣體均可用來進行校準，只需接上適當氣體的汽缸即可。當整個裝置徹底清洗后，該裝置便可進行校準了。汞密封活塞體積管顯示出的容積不受所采用的氣體類型的影響。側記，有腐蝕性、有毒的或反應性氣體或爆炸性氣體混合物則不能使用。
不同質量流量之間的長穩定時間需要一臺自動化裝置來控制。該裝置的中央有一臺個人計算機，它通過一個IEEE接口來操作數據采集和控制裝置。用數據采集和控制裝置來操作質量流量控制器和所有的閥，進行溫度和壓力測量，并且對活塞體積管和被檢測流量計的脈沖信號進行定時。自動化的其他優點是常規校準無人值守、校準自動進行，其中4個汞密封活塞體積管還可自動進行校準值的互相比對。
四、溯源性和校準
所有高壓氣體校準裝置均可溯源至低壓溯源鏈末端的3.5m3的鐘罩。圖5給出了目前低壓溯源鏈的狀況。低壓溯源鏈構成了高壓溯源鏈的基礎。每個校準步驟中都列出了進行校準的壓力和體積流量。值得注意的是支持3.5m3鐘罩的校準有2個單獨的溯源鏈，第一個鏈始于基礎校驗系統。可追溯到質量基準。第二個鏈則始于低流量檢測裝置，可追溯到長度基準。
圖5荷蘭低壓氣體流量標準的溯源鏈。圖中運輸車上帶圓圈表示的是傳遞標準
對于汞密封活塞體積管的校準，管式傳感器間的體積容量可分兩步進行。第一步是在2個垂直方向，管子總長度的20個不同的截面積來測量管內徑。這些校準是采用配有一個觸模式探頭的坐標測量機進行的。該測量方法的不確定度用雙標準偏差值表示時為5μm。
第二步是確定起始傳感器S0與停止傳感器S2之間的距離。此端頭采用一個高差計。這是一個立式安裝的長度刻度計，配有一個視窗，視窗上有十字絲，它可以沿著刻度移位。連接到視窗上的游標尺可用來精確讀出視窗的位置。高差計和汞密封活塞體積管是并行設置的，利用視窗可讀出活塞的位置。為了觀測傳感器開關的動力扭矩，在該傳感器的輸出裝置上接裝了一個LED(發光二極管)。這時可極小心地將該活塞移到傳感器動作的高度，然后從視窗讀出該位置。按這種方法便可確定S0和S3的位置。啟動傳感器S0與兩個其他傳感器S1和S2之間的體積容量可通過在恒定質量流量條件下對活塞S0和S1、S2及S3之間的運行時間的相互比對計算出來，這一步驟被稱為復制。
這樣一來，三個較大體積管中每個體積管的平均管直徑、S0和S3之間的距離及相應的測量體積容量便可計算出來。最小體積管的傳感器間的體積容量可通過復制尺寸上僅大于它的體積管進行確定。從初步的不確定度分析可獲得由雙標準偏差表示的下列數值。對于最小汞環活塞體積管，該低流量檢測裝置的總不確定度約為0.2%；而對于其他體積管來講則約為0.15%。
五、校準條件與操作條件有差異時
毫無疑問，在操作條件下進行校準是校準的最佳方式，然而，并不是總能用理想的流體進行校準。對于氣體流量計，大多數檢測裝置都采用空氣進行校準，有時有壓力，多數情況下是在常壓條件下檢定。本文所述的高壓檢測裝置是在有壓力條件下采用天然氣進行檢定的，這對于那些將流量計用于天然氣計量站的公司具有很大的優勢。
對于采用乙烯作為檢定流體的氣體流量計的校準，可采用DSM和Shell的檢測裝置，由荷蘭計量院對這些校準進行鑒定。在Dordrecht的低流量檢測裝置上，可采用各種各樣氣體進行校準。
對測量蒸汽、氮氣、二氧化碳、氫氣等的氣體流量計的校準要求在不斷增加。由于采用這些氣體進行大規模校準的設施并不多，因此采用另一種流體進行校準幾乎是唯一的選擇，且在許多情況下是一種合理的、可替代的選擇。
如果流動條件可以估算出來，那么就可以在與操作條件不同的條件下對流量計進行校準，估算流動條件所采用的參數通常為關于該流量計入口直徑的雷諾數。
首先，將操作條件范圍轉換為雷諾數范圍。其次，所選定的校準設備要符合所規定的雷諾數范圍。然后，在不同的壓力條件下或采用不同的氣體進行校準。根據雷諾數繪制流量計的誤差或流出系數的曲線圖。然后檢查該流量計的曲線是否與雷諾數的重疊范圍相一致。如果一致，則采用內插法從校準曲線推知操作條件的誤差曲線。如果曲線圖不吻合，就必須斷定出是被檢測流量計出故障還是該雷諾數不是被檢測流量計適當的檢定系數。
該方法通常稱之為雷諾內插法，可能適用于諸如渦輪流量計、孔板及噴嘴之類的流量計，這些流量計在流量的雷諾數和流量計誤差或流出系數之間已形成了相關性。
在一定精度等級范圍內，標準差壓流量計的雷諾特性是眾所周知的。同樣，某些種類的渦輪氣體流量計的特性也是已知的。在某些情況下，有必要在進行最終校準之前先進行幾次測試以鑒定該流量計的運行情況是否符合雷諾定標系數。將來，還需要做一些工作來鑒定渦流擋板流量計的性能，并確定高壓氣體情況下超聲波流量計和互補式流量計的性能。
六、結論
荷蘭計量院以汞密封活塞標準體積管作為標準對一種新型低流量檢測裝置進行了運行試驗。該裝置的優點是：
1、操作范圍高：2×10-5～3.5m3/h；
2、可進行許多不同類型流量計的校準；
3、該裝置可采用任何氣體進行校準，只要氣體不是侵蝕性、有毒的、腐蝕的或爆炸性氣體。
4、汞密封活塞體積管可進行自動操作及自動相互對比。
最小汞密封活塞體積管和三個其他體積管的初步不確定度數分別約為0.20%和0.15%。該檢測裝置的局限性是標準流量計的操作壓力接近于環境壓力。
對于高壓和高流量條件下的校準，Bergum和Westerbork的高壓檢測裝置可提供較高的壓力范圍9～60bar和流量范圍45～2.4×106。這些裝置在操作條件下采用天然氣進行校準。
考慮到壓力范圍不同及所采用的氣體類型的差異，作業線路條件可以不同于現有的校準條件。對于這些情況，可采用所謂的雷諾插值方法。這種方法可適用于流量雷諾數和儀表誤差或排放系數之間已建立了相關性的流量計。
流量計產品鏈接：http://www.kafenchem.com/product/flowmeter/
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