智能孔口流量計(jì)校準(zhǔn)方法研究

趙寧1，牛立娜1，2，梁玉嬌1，陳世硯2，田鵬飛2

(1.河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北 保定071002；2.河北省計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)院 氣體流量實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊050051)

摘要：通過(guò)研究智能孔口流量計(jì)的工作原理，提出了基于鐘罩標(biāo)準(zhǔn)裝置的正壓校準(zhǔn)法和基于標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的負(fù)壓校準(zhǔn)法，分別建立了實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型. 通過(guò)2種校準(zhǔn)法的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定度進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，并對(duì)2種方法進(jìn)行了比對(duì)分析.

關(guān)鍵詞：智能孔口流量計(jì)；正壓法；負(fù)壓法；不確定度分析

DOI：10.3969/j.issn.1000-1565.2015.05.017

中圖分類號(hào)：TK313;X830.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-04-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61475041)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(F2015201215)；河北省教育廳重點(diǎn)資助項(xiàng)目(ZH2012064)；河北省教育廳青年基金資助項(xiàng)目(QN2015216)

On the calibration methods of intelligent orifice flow-meter

ZHAO Ning1, NIU Lina1,2, LIANG Yujiao1, CHEN Shiyan2, TIAN Pengfei2

(1. College of Quality and Technical Supervision, Hebei University, Baoding 071002, China;

2. Lab of Gas Flow，Measurement Supervision and Testing Institute

of Hebei Province, Shijiazhuang 050051, China)

Abstract:Based on research of operational principle of intelligent orifice flow-meter, two calibration methods were presented; one was positive pressure method which was based on the bell gas flow standard device, the other was negative pressure method which was based on the standard flow-meter, the measurement systems and mathematical models were established respectively. Through detection experiments of the two calibration methods, the uncertainties of experimental results were analyzed and evaluated, comparative analysis of the two methods were proposed.

Key words: intelligent orifice flow-meter; positive pressure method; negative pressure method; uncertainty analysis

第一作者：趙寧(1983-)，男，河北保定人，河北大學(xué)講師，天津大學(xué)在讀博士研究生，主要從事氣液兩相流測(cè)量相關(guān)研究.

E-mail：headbig3000@163.com

總懸浮顆粒物采樣器是環(huán)境空氣檢測(cè)中對(duì)大氣中顆粒物樣品(如PM2.5, PM10)采集分析中常用的一種儀器，一般將環(huán)境檢測(cè)中為總懸浮顆粒物采樣進(jìn)行流量校準(zhǔn)用的孔口流量計(jì)稱為“標(biāo)定總懸浮顆粒物采樣器用的孔口流量計(jì)”.目前在環(huán)境檢測(cè)中常用的總懸浮顆粒物采樣器按照流量大小主要分為大流量和中流量2種采樣器，相對(duì)應(yīng)的孔口流量計(jì)也分為大、中流量2種.其量程范圍分別為0.8~1.4 m3/min，75~125 L/min，準(zhǔn)確度小于2%. 智能孔口流量計(jì)由孔口流量計(jì)和二次儀表構(gòu)成，其工作原理和構(gòu)成如圖1所示.

根據(jù)伯努利方程和流動(dòng)連續(xù)性方程，孔口流量計(jì)檢測(cè)數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

圖1　智能孔口流量計(jì)結(jié)構(gòu)組成示意 Fig.1　Intelligent orifice flowmeter’s structure diagram

總懸浮顆粒物TSP采樣器的流量是用孔口流量計(jì)來(lái)確定的，根據(jù)中國(guó)環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ/T368—2007[1]要求，針對(duì)大孔口流量計(jì)以羅茨流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表，采用負(fù)壓校準(zhǔn)方式.針對(duì)中孔口流量計(jì)以鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為標(biāo)準(zhǔn)，采用正壓校準(zhǔn)方式.從上述標(biāo)準(zhǔn)[1]可知對(duì)孔口流量計(jì)的校準(zhǔn)方法均采用標(biāo)準(zhǔn)體積法，根據(jù)流量范圍的不同，選取了不同的標(biāo)準(zhǔn)器及正負(fù)壓校準(zhǔn)方式，對(duì)于不同流量范圍的同一類型流量計(jì)采用不同標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)方法，對(duì)孔口流量計(jì)的實(shí)際校準(zhǔn)工作帶來(lái)了一定困擾，而現(xiàn)階段高精度鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計(jì)無(wú)論是量程范圍還是精度等級(jí)都可以覆蓋大、中孔口流量計(jì)的流量范圍和檢測(cè)精度要求.因此本文以中孔口流量計(jì)為對(duì)象，分別采用鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和羅茨流量計(jì)校準(zhǔn)方法設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行了校準(zhǔn)，對(duì)正負(fù)壓2種校準(zhǔn)方法檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)并作了系統(tǒng)分析，為孔口流量計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)的同一化作了一些有益的探討.

1孔口流量計(jì)校準(zhǔn)方法

1.1　標(biāo)準(zhǔn)表負(fù)壓法及其示意

標(biāo)準(zhǔn)表負(fù)壓法[1]選用0.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，以穩(wěn)壓氣泵作為氣源，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)設(shè)置流量點(diǎn)，連接處均采用不銹鋼直管連接(L≥10D)，智能孔口流量計(jì)的連接端與標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計(jì)進(jìn)氣口端的直管段直接相連，孔口端則直通大氣.當(dāng)氣泵和變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)后，氣體通過(guò)孔口端流經(jīng)智能孔口流量計(jì)，通過(guò)直管段，流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計(jì)并最終排向大氣.具體連接方式如圖2所示.

圖2　負(fù)壓法檢測(cè)孔口流量計(jì)示意

1.2　鐘罩正壓法及其示意

鐘罩正壓法[1]中選用0.5級(jí)2 000 L鐘罩作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，直管段與孔口流量計(jì)內(nèi)外直徑保持相同，孔口端與鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的排氣管相連，孔口連接端與大氣保持相通.當(dāng)鐘罩排氣閥打開(kāi)時(shí)，氣體經(jīng)過(guò)直管段通過(guò)孔口端，然后經(jīng)過(guò)孔口直管段，直接排向空氣.具體連接方式如圖3所示.

圖3　正壓法檢測(cè)孔口流量計(jì)示意

1.3　中孔口流量計(jì)標(biāo)稱參數(shù)

流量為80~120 L/min，準(zhǔn)確度等級(jí)1.0級(jí).

2校準(zhǔn)結(jié)果比對(duì)及分析

由于總懸浮顆粒物采樣器采樣流量一般為固定流量值，即孔口流量計(jì)定點(diǎn)使用而非全量程，因此本次實(shí)驗(yàn)選取了3個(gè)常用點(diǎn)(80，100，110 L/min)進(jìn)行檢測(cè)分析.為了確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性減小隨機(jī)誤差等微小因素的影響，在保證重復(fù)性條件下每個(gè)流量點(diǎn)檢測(cè)6次[2-3].

2.1　負(fù)壓法檢測(cè)結(jié)果

在保證重復(fù)性條件下，針對(duì)上述3個(gè)流量點(diǎn)在負(fù)壓法實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行實(shí)流校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計(jì)示數(shù)及數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表1所示.

表1　負(fù)壓法檢測(cè)智能孔口流量計(jì)數(shù)據(jù)

V1.起始流量；V2.終止流量；qv.智能孔口流量計(jì)瞬時(shí)流量，采取定時(shí)讀取瞬時(shí)流量并取其10次讀數(shù)的均值；qs標(biāo)準(zhǔn)流量值，Δr相對(duì)誤差，Sr標(biāo)準(zhǔn)差.

2.2　正壓法檢測(cè)結(jié)果

在保證重復(fù)性條件下，針對(duì)上述3個(gè)流量點(diǎn)在正壓法實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行實(shí)流校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)示數(shù)及數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表2所示.

表2　正壓法檢測(cè)智能孔口流量計(jì)數(shù)據(jù)

p0.鐘罩內(nèi)壓力；qs.經(jīng)溫壓補(bǔ)償后鐘罩標(biāo)況流量；qv.智能孔口流量計(jì)瞬時(shí)流量，采取定時(shí)讀取瞬時(shí)流量并取其10次讀數(shù)的均值；Δr相對(duì)誤差，Sr標(biāo)準(zhǔn)差.

2.3　不確定度分析

2.3.1標(biāo)準(zhǔn)表負(fù)壓法不確定度分析

在實(shí)際測(cè)量中，取多次的測(cè)量均值作為校準(zhǔn)結(jié)果，即

(2)

單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差為

(3)

計(jì)算結(jié)果如表1中Sr/%列所示.

(4)

計(jì)算結(jié)果如表3所示.

表3　負(fù)壓法檢測(cè)結(jié)果不確定度

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表負(fù)壓法檢測(cè)系統(tǒng)的不確定度分析，結(jié)合誤差理論及測(cè)量不確定度評(píng)定[4]知識(shí)，得到標(biāo)準(zhǔn)表負(fù)壓法B類合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度公式

(5)

式中各不確定度分量值如表4所示.

表4　負(fù)壓法B類不確定度

2.3.2鐘罩式正壓法不確定度分析

通過(guò)公式(2)~(4)計(jì)算鐘罩式正壓法的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度如表5相應(yīng)列所示.

表5　正壓法檢測(cè)結(jié)果不確定度一覽表

通過(guò)對(duì)鐘罩式正壓法檢測(cè)系統(tǒng)的不確定度分析，結(jié)合誤差理論及測(cè)量不確定度評(píng)定[4-5]知識(shí)，得到鐘罩式正壓法B類合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度公式

(6)

式中各不確定度分量值如表6所示.

表6　正壓法B類不確定度

2.4　比對(duì)結(jié)果

將基于標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計(jì)負(fù)壓法與鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置正壓法測(cè)量結(jié)果及其不確定度進(jìn)行比對(duì)，其比對(duì)結(jié)果如表7所示.

表7　正負(fù)壓檢測(cè)方法結(jié)果比對(duì)

從表7可以看出，2種校準(zhǔn)方法所得值相差不大，但是由于正壓檢測(cè)法B類不確定度分量來(lái)源較多，導(dǎo)致其相對(duì)不確定度值略高于負(fù)壓檢測(cè)法.

3結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)2套校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定度分析，標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計(jì)負(fù)壓法其測(cè)量不確定度要優(yōu)于鐘罩式正壓法，影響鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度因素較多.2種檢測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)均滿足精度要求.

2) 鐘罩正壓法優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，壓力波動(dòng)較小，精度高；缺點(diǎn)：鐘罩容積為定值，可用于檢測(cè)時(shí)間短；鐘罩出口壓力很小，且連接管路需要變徑，孔口直徑很小，造成壓損較大，無(wú)法滿足大流量孔口流量計(jì)的檢測(cè)需求.

3) 標(biāo)準(zhǔn)表負(fù)壓法優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)不同測(cè)量范圍可選適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)表，管路設(shè)計(jì)安裝簡(jiǎn)便易拆卸，能長(zhǎng)時(shí)間提供穩(wěn)定流量值，檢測(cè)時(shí)間不受限制，其流量范圍可完全覆蓋大、中流量孔口流量計(jì)的檢測(cè)；缺點(diǎn)：氣源穩(wěn)定性略差，功率要求較高；標(biāo)準(zhǔn)表脈動(dòng)會(huì)影響校準(zhǔn)精度.

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(責(zé)任編輯：趙藏賞)