工業氣體流量計檢定設備

　　摘 要：一種由4個汞封活塞規范體積管構成的新式低流量查看設備已在荷蘭計量院投入運用。在近于環境條件下，該設備的操作規模為2×10-5～3.5m3／h，可用于檢定大規模流量計，并且基本上可用于任何氣體，低流量查看設備可追溯到原始長度規范，這篇文章對檢定辦法也進行了評論和研討。初步不斷定度剖析給出zui小規范體積管的總不斷定度約為0.20%，別的規范體積管則約為0.15%。關于高壓氣體流量計的檢定，別離對Groningen、Bergum和Westerbork的查看設備進行了考核。終究，評論了雷諾內插法，以為當操作條件與檢定條件有區別時能夠運用該辦法。

一、前 言

　　在曩昔的三年中，對工業氣體流量計的檢定請求大大添加。首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只于渦輪氣體流量計，并且還有孔板式、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3.5 m3/h）檢定，比如熱式質量流量計、質量流量操控器、醫療衛生設備用的可變面積外表和查看器。
　　3、除用空氣或天然氣以外的氣體的檢定及在不一樣操作條件（不一樣壓力或不一樣氣體）下的檢定。
　　鑒于這些狀況，荷蘭計量院研制出一種新式的低流量查看設備，且使2臺現有檢定設備實現了主動化。別的，在Bergum增設高壓查看設備很有必要，這已列入1993年方案傍邊。
　　表1給出了荷蘭對工業氣體流量計進行法令判定、檢定和查驗的現有設備。該表供給了這些查看設備的特性，比如流量、操作壓力及查看所運用的氣體類型。關于所列的設備，荷蘭計量院的合作伙伴將擔任進行法令判定和頒布檢定證書。除了表1中所列設備以外，配氣公司和氣體流量計制造廠查看設備的數量也有所添加。

二、高壓查看設備

　　荷蘭有幾臺高壓流量查看設備。從檢定設備或溯源性方面看，Groningen、Bergum和Westerbork的查看設備很重要。這3臺設備在操作條件下的檢定可用天然氣作為檢定介質。
1．Groningen的高壓查看設備
　　Groningen的高壓查看設備規劃為一臺研討設備。該設備的一切者Gasunie公司運用這臺設備對氣體流量計、設備效應、減壓器和別的設備進行研討。被查看設備可設備在查看設備中的幾個部位，構成zui合適的裝備。該設備很少用于氣體流量計的正常檢定。但是，它對荷蘭別的高壓查看設備的溯源起了十分重要的效果。

　　表1 對工業氣體流量計進行或合作進行法令判定、檢定和查看所用的查驗設備

注：除乙烯規范體積管回路流量為在線條件外，別的流量均為正常運轉條件（0oC,1.01325bar）

　　坐落Groningen的查看設備，如圖1所示，配有2套規范氣體流量計。其間一套由10個并聯的容積式（CVM）氣體流量計構成。在在線條件下，每個流量計的zui大流量為400m3/h。這種容積式流量計像Bergum傳遞規范一樣，只用于檢定高規范流量計。另一套規范氣體流量計是Groningen日常研討運用的查看設備的工作規范。這套流量計是由一個zui大才干為 400 m3/h的容積式氣體流量計和4個zui大才干別離為650 m3/h、1600 m3/h和2個4000 m3/h的渦輪氣體流量計構成。
　　因為該設備構造的因素，可直接選用一套10個容積式流量計規范來檢定工作規范。
　　在Groningen，這些容積式流量計規范一直運轉在6 bar的絕壓條件下。而被查驗的流量計可在9～41 bar壓力之間運轉。當實驗壓力超越9 bar時，應將該壓力降至查驗流量計和規范之間的規模。因為壓力降低，應將該氣體加熱到實驗室溫度。鑒于壓力降低且氣體溫度應以手動操控，此刻，尤其是在低流量條件下進行檢定，很耗費時刻，假如該壓力降至實驗流量計和規范之間規模，則氣體的壓縮性便起著很要害的效果。計算壓縮系數，既可選用 AGA NX－19－mod算法，也可選用簡化的GERG方程。因為壓縮系數取決于氣體的組分，因而應運用在線氣相色譜儀來斷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的高壓查看設備
　　Bergum的高壓查看設備規劃用于檢定氣體流量計。如圖2所示，該查看設備與一個668MW發電廠的供氣站平行擺放。該設備的操作壓力規模為9～15 bar壓力到達21 bar。的zui大流量為88000m3/h，而當壓力在21～51 bar之間時的流量則為130000。單位標明該流量已轉換為正常條件（0oC,1.01325 bar）

圖1 Groningen高壓查看設備平面暗示圖。左邊的10臺容積式流量計為高壓基準表。該圖右側的工作規范則用于查驗

　　查看設備的規范氣體流量計包含 4臺zui大處理才干為 4000 m3/h的渦輪式氣體流量計，一臺處理才干為1000 m3/h的渦輪式氣體流量計及兩臺處理才干別離為400 m3/h和1000 m3/h的CVM氣體流量計。
　　在Bergum的設備上，規范氣體流量計和被查看的流量計均在大概一樣的壓力條件下運轉。這種做法的長處是，在檢定進程中，不會發生因氣體壓縮系數算法而導致的別的不斷定度。但它也有缺陷，即，規范氣體流量計自身需求在幾種不一樣的壓力條件下進行檢定。Bergum的規范氣體流量計是在9 bar、21 bar、36 bar和51 bar的壓力條件下進行檢定的。該規范在檢定壓力間的校準系數通過插值差錯曲線圖取得，圖中制作了檢定曲線與流量相對應的雷諾數曲線。
　　進人該查看設備的氣體通過2個（安全）封閉閥門、一個過濾器和一個加熱器后到達二級減壓器。查驗壓力通過此減壓器進行操控。在減壓器之后有4條平行的查看管線。其間3條管線法蘭間的長度為5.lm，而另一條查驗管線法蘭間的長度則為11m。這些流量計的直徑能夠檢定，規模為50～600 mm（ANSI或DIN法蘭）。
　　氣體通過被查看流量計后又通過一個或幾個規范氣體流量計。爾后，壓力降低，氣體返回到電廠的供氣管線。
　　在Bergum的查看設備上，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%擺布，剩余的則為孔板、文丘里管、噴嘴、旋渦式流量計、刺進式流量計、超聲波流量計等。這些年，在Bergum查驗設備進步行檢定的流量計數量大大添加（每年為17%）。這充沛標明，在操作條件下檢定關于氣體流量計用戶具有更為重要的意義。別的，孔板、噴嘴、文丘里管檢定的數量也大大添加。
　　鑒于在此設備進步行檢定的流量計數量很大，因而有必要常常查看規范氣體流量計。在新裝備的查看設備上設備了特別的查看外表，用于查看流量到達25000 m3/h的流量計。這樣，便可在檢守時期接連查看工作規范。每周臨時刺進傳遞規范，查看較高流量條件下的工作規范。

圖2 Bergum高壓查看設備的平面暗示圖。用于操控低流量的音速噴嘴用SN標明， HE為換熱器

3．Westerbork的高壓查看設備
　　這篇文章撰稿時，Westerbork的查看設備是世界上具有zui高流量的設備。流經該設備的天然氣在大概60 bar的壓力條件下zui大量為2.4×104。該設備歸屬于Casunie一切，有些時刻用于由Casunie進行的研討工作，而有些時刻則用于由荷蘭計量院進行的檢定工作。該查看設備接近從Slochteren氣田到Ommen混輸站的兩條大口徑氣管線（1050 mm和1200 mm）。 在校準進程中，這些輸氣管線中的氣體流經查看設備的旁通（見圖3）。 通過查驗設備的流量由旁通節省進行操控。氣體首要通過該設備的10個規范氣體流量計。這些規范流量計為渦輪氣體流量計，zui大通過才干為4000 m3/h，因而，在實踐條件下的zui大通過才干為40000 m3/h。這種zui大的氣體流量只需在荷蘭冰冷時節，氣體耗費量恰當大時才干到達。
　　該氣體通過規范流量計后又流經兩個查驗管中的其間一條。一條查看管線用于直徑到達400 mm的氣體流量計。而第二條管線一般用于直徑為500 mm或更大直徑的流量計。在這個設備上可進行2個或3個串聯流量計的校準。因為該查看設備實踐上是兩條首要輸氣管線的旁通，因而，只需在管線壓力約為60 bar時方可進行校準工作。
　　曾在Westerbork校準的zui大氣體流量計是兩臺美國的900 mm（36 in）文丘里管。1992年1月，選用約為2.0×106 的zui大氣體流量對這些文丘里管進行了校準。

圖3 Westerbork高壓查看設備平面暗示圖

三、NMi低壓校準設備

　　與Westerbork十分高的流量相反，坐落Dordrecht的新式低流量查看設備特定用于校驗zui大流量為3 m3/h的氣體流量計。低流量設備的操作規模為2×10-5～3 m3/h。可進行校準的外表為濕式查看外表、旋轉活塞流量計、質量流量操控器、可變面積流量計（轉子流量計）、熱質量流量計、皂膜流量計、醫用呼吸設備查看器及汞密封活塞規范體積管。
　　圖4給出的暗示設備包含4個汞密封活塞規范體積管，它們作為規范流量計運用；4個質量流量操控器，它們發生一個安穩的質量流量；還有一臺被查看的流量計。這些規范體積管的標稱容量別離為60 mL、480 mL、3500 mL和13000 mL。實質上，一個質量流量操控器包含一個操控閥，該閥構成必定的質量流量；一臺熱質量流量計及一個反饋體系，該體系將實踐質量流量與預設質量流量相對比且對操控閥進行調理。選用熱敏電阻丈量汞密封活塞規范體積管進口處及被查看流量計的溫度。選用一個獨自壓差變送器可測出管進口及被查驗流量計的壓力與環境壓力的差值。丈量時選用2個三通閥。過壓保護設備可防止壓力傳感器的壓差太高。
　　汞密封活塞規范體積管由一個立式準確玻璃管構成，該玻璃管具有安穩直徑和一個滑潤的外表，它置于一個支架上，該支架有分隔的進口和出口連接收。此玻璃管的頂部有一個開式接收，與大氣相通。玻璃管內有一個活塞，它能夠上下移動，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沖突。為了供給一個較安穩的溫度，zui小的玻璃管還配備了一個水套。
　　緊挨著玻璃管，設備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，當光束被活塞中止時，則發生一個脈沖。zui低的傳感器S0是一個發動傳感器，它開端一個外部時刻測定。從S1～S3中選定一個中止傳感器來中止時刻測定。

　　圖4 Dordrecht低流量查看設備的平面暗示圖。該設備包含4個汞密封活塞體積管（PP1～PP4），4個質量流量操控器（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標明

　　鑒于發動傳感器與S1～S3中止傳感的每一個傳感器間的容積是已知的，因而可計算出流量。S4是一個安全傳感器，由它翻開管子出口閥，然后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防止實驗室中汞溢出。
　　選用低流量查看設備進行的校準進程如下。單個運用質量流量操控器（圖4中的 MFC1～MFC4）或聯合起來運用以樹立一個預訂的質量流量。將流量導入被查看的流量計。質量流量操控器需求三分鐘安穩時刻才干樹立起恰當安穩的流量。一旦安穩后，該安穩流量由被查看的流量計進行測定。然后，將該流量引進汞密封活塞規范體積管中。這時，質量流量則選用該體積管進行測定。然后，再由被查看的流量計和汞密封活塞體積管丈量一次。將這兩個丈量值進行對比看看流量條件是不是滿足安穩。終究，再將汞密封活塞體積管和被查看外表的讀數進行彼此比對，然后計算出后者存在的差錯。
　　除空氣外，任何別的氣體均可用來進行校準，只需接上恰當氣體的汽缸即可。當全部設備完全清潔后，該設備便可進行校準了。汞密封活塞體積管顯示出的容積不受所選用的氣體類型的影響。側記，有腐蝕性、有毒的或反響性氣體或爆炸性氣體混合物則不能運用。
　　不一樣質量流量之間的長安穩時刻需求一臺主動化設備來操控。該設備的中心有一臺個人計算機，它通過一個IEEE接口來操作數據收集和操控設備。用數據收集和操控設備來操作質量流量操控器和一切的閥，進行溫度和壓力丈量，并且對活塞體積管和被查看流量計的脈沖信號進行守時。主動化的別的長處是慣例校準無人值守、校準主動進行，其間4個汞密封活塞體積管還可主動進行校準值的彼此比對。

四、溯源性和校準

　　一切高壓氣體校準設備均可溯源至低壓溯源鏈末端的 3.5 m3的鐘罩。圖 5給出了現在低壓溯源鏈的狀況。低壓溯源鏈構成了高壓溯源鏈的根底。每個校準過程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3.5 m3鐘罩的校準有2個獨自的溯源鏈，*個鏈始于根底校驗體系。可追溯到質量基準。第二個鏈則始于低流量查看設備，可追溯到長度基準。

圖5 荷蘭低壓氣體流量規范的溯源鏈。圖中運送車上帶圓圈標明的是傳遞規范

　　關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。*步是在2個筆直方向，管子總長度的20個不一樣的截面積來丈量管內徑。這些校準是選用配有一個觸形式探頭的坐標丈量機進行的。該丈量辦法的不斷定度用雙規范偏差值標明時為5μm。
　　第二步是斷定開始傳感器S0與中止傳感器S2之間的間隔。此端頭選用一個高差計。這是一個立式設備的長度刻度計，配有一個視窗，視窗上有十字絲，它能夠沿著刻度移位。連接到視窗上的游標尺可用來準確讀出視窗的方位。高差計和汞密封活塞體積管是并行設置的，運用視窗可讀出活塞的方位。為了觀測傳感器開關的動力扭矩，在該傳感器的輸出設備上接裝了一個LED（發光二極管）。這時可極小心腸將該活塞移到傳感器動作的高度，然后從視窗讀出該方位。按這種辦法便可斷定S0和S3的方位。發動傳感器S0與兩個別的傳感器S1和 S2之間的體積容量可通過在安穩質量流量條件下對活塞S0和S1、S2及S3之間的運轉時刻的彼此比對計算出來，這一過程被稱為仿制。
　　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之間的間隔及相應的丈量體積容量便可計算出來。zui小體積管的傳感器間的體積容量可通過仿制尺寸上僅大于它的體積管進行斷定。
從初步的不斷定度剖析可取得由雙規范偏差標明的下列數值。關于zui小汞環活塞體積管，該低流量查看設備的總不斷定度約為0.2%；而關于別的體積管來講則約為0.15%。

五、校準條件與操作條件有區別時

　　毫無疑問，在操作條件下進行校準是校準的zui佳方式，但是，并不是總能用抱負的流體進行校準。關于氣體流量計，大大都查看設備都選用空氣進行校準，有時有壓力，大都狀況下是在常壓條件下檢定。這篇文章所述的高壓查看設備是在有壓力條件下選用天然氣進行檢定的，這關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。
　　關于選用乙烯作為檢定流體的氣體流量計的校準，可選用DSM和Shell的查看設備，由荷蘭計量院對這些校準進行判定。在Dordrecht的低流量查看設備上，可選用各式各樣氣體進行校準。
　　對丈量蒸汽、氮氣、二氧化碳、氫氣等的氣體流量計的校準請求在不斷添加。因為選用這些氣體進行大規模校準的設備并不多，因而選用另一種流體進行校準幾乎是僅有的挑選，且在許多狀況下是一種合理的、可代替的挑選。
　　假如活動條件能夠預算出來，那么就能夠在與操作條件不一樣的條件下對流量計進行校準，預算活動條件所選用的參數一般為關于該流量計進口直徑的雷諾數。
　　首要，將操作條件規模轉換為雷諾數規模。其次，所選定的校準設備要契合所規定的雷諾數規模。然后，在不一樣的壓力條件下或選用不一樣的氣體進行校準。依據雷諾數制作流量計的差錯或流出系數的曲線圖。然后查看該流量計的曲線是不是與雷諾數的堆疊規模相共同。假如共同，則選用內插法從校準曲線推知操作條件的差錯曲線。假如曲線圖不契合，就有必要斷定出是被查看流量計出毛病仍是該雷諾數不是被查看流量計恰當的檢定系數。
　　該辦法一般稱之為雷諾內插法，可能適用于比如渦輪流量計、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差錯或流出系數之間已構成了相關性。
　　在必定精度等級規模內，規范差壓流量計的雷諾特性是眾所周知的。相同，某些種類的渦輪氣體流量計的特性也是已知的。在某些狀況下，有必要在進行終究校準之前**行幾回查驗以判定該流量計的運轉狀況是不是契合雷諾定標系數。將來，還需求做一些工作來判定渦流擋板流量計的功能，并斷定高壓氣體狀況下超聲波流量計和互補式流量計的功能。

六、結 論

　　荷蘭計量院以汞密封活塞規范體積管作為規范對一種新式低流量查看設備進行了運轉實驗。該設備的長處是：
　　1、 操作規模高：2×10-5～3.5 m3/h；
　　2、 可進行許多不一樣類型流量計的校準；
　　3、 該設備可選用任何氣體進行校準，只需氣體不是侵蝕性、有毒的、腐蝕的或爆炸性氣體。
　　4、汞密封活塞體積管可進行主動操作及主動彼此對比。
　　zui小汞密封活塞體積管和三個別的體積管的初步不斷定度數別離約為0.20%和0.15%。該查看設備的局限性是規范流量計的操作壓力接近于環境壓力。
　　關于高壓和高流量條件下的校準，Bergum和Westerbork的高壓查看設備可供給較高的壓力規模9～60 bar和流量規模45～2.4×106 。這些設備在操作條件下選用天然氣進行校準。
　　考慮到壓力規模不一樣及所選用的氣體類型的區別，工作線路條件能夠不一樣于現有的校準條件。關于這些狀況，可選用所謂的雷諾插值辦法。這種辦法可適用于流量雷諾數和外表差錯或排放系數之間已樹立了相關性的流量計。