串并联式气体流量标准装置检定大口径流量计的应用

  Appling Parallel Gas Flow Standard Facility toVerify Large Diameter FlowMeter
  郭琪
 （潍坊市思达特测控设备有限公司）
  Guo Qi
 (Wefang Start Measurement&Contronl Equipment CO.,LTD)

应用案例：
1、 东营市计量所（获得东营市科技进步奖）-口径DN20-DN250气动调节并联式气体流量标定装置。
2、 聊城市计量侧料所-口径DN25-DN300并联式气体流量标定装置。
2、 威海欧迈特测控设备有限公司-口径DN25-DN300手动调节并联式气体流量标定装置。
3、 烟台泰华仪表有限公司-口径DN25-DN300手动调节并联式气体流量标定装置。
4、 东营思达特测控设备有限公司-口径DN20-DN250手动调节并联式气体流量标定装置。
5、 潍坊市思达特测控设备有限公司-口径DN20-DN350气动调节并联式气体流量标定装置

摘要：并联式气体流量标准装置是利用几台低流量范围高准确度的标准流量计以并联的方式来实现大流量的量值传递。本文讨论了并联式气体流量标准装置的设计方案及注意事项。
Abstract: The parallel gas flow standard facility is consists of multi-small and much accurate standard flow facilities in parallel for large flow volume measuring. The article discussed design project and noting case of parallel gas flow standard facility

关键词： 流量标准装置 并联方式 标准流量计

Key: Standard flow instrument Parallel Gas flow standard facility
一. 引言
标准表法气体流量标准装置是使用较多的气体流量标准装置，尤其是一些流量计的生产企业建立此项标准装置较多。随着中国城市工业化速度的加快，城市环保的要求和城市天然气、蒸汽供应量日益增大，所使用的气体流量计口径越来越大。大口径流量计的检定及标准表的溯源目前存在困难便显现出来。
但是如果采用并联使用标准表的方式，只使用标准流量计检定曲线上一个有限段，标准流量计标定准确度可以提高。同样也可以使被检流量计的流量范围达到需求。采用并联式标准表作为气体校验装置在国内外已有广泛的应用，如国内应用广泛的喷嘴法气体流量标准装置就是采用并联方式；20世纪90年代加拿大建成的北美最大的天然气实流校验装置是6台DN400与2台DN200的涡轮流量计作为标准表来校验DN750以下的各种口径流量计。
山东境内有数十家涡街流量计生产企业，近年来利用涡街流量传感器建立并联式标准表
法气体流量检定装置方面也积累了一些经验，并联方式在校验大口径流量计上是有其优势的。

二. 基本原理
气体涡街流量传感器的准确度一般在0.5级～1.5级的水平上，是无法作为0.5级标准传感器使用的，当只使用标准流量传感器检定曲线上一个有限段时。标准流量计标定准确度可以得到提高。同样用以检定被检流量计的准确度也可以提高。在这一有限测量范围内仪表系数Ｋ的相对误差将小于仪表系数的全量程的误差。
试验结果表明若量程比为2：1或3：1，在定点标定时能满足要求，因此，使用该传感器标准，建立气体流量装置是可行的。
并联方式的就是用几台有限测量范围的标准流量计并联代替大量程的单台标准流量计，使用高精度低量限的标准流量计使标准流量计的检定溯源问题简化。根据该方式建立起一个比较测量系统, 以标准流量计为标准器，使气体在相同的时间间隔内连续通过标准流量计和被检流量计，比较两者的流量值，从而确定被检流量计的计量性能。
在同一技术时间间隔内，流经所有标准流量传感器的气体质量应等于流经被校表的气体
质量。根据理想气体质量方程PV=nRT可知，只要测得气体工况流量及该时间的温度及压力
即可求出流经被校表的质量流量；根据检测到的被校表的压力和温度及脉冲数即可计算出被
校表的流量常数。

三.系统构成
并联式气体流量装置由变频风机（气源）缓冲罐及管路，标准流量传感器，工控机（计
时器，数据采集系统）等几部分组成。装置结构示意图如下：

图1装置结构示意图
说明：
1.? 风源包含高压风机、空气机、变频器
2.? 进气管
3.? 缓冲罐
4.? 标准表
5.? 分流罐
6．被检流量计
该装置由数台标准传感器并联组成；为方便核查标准表的准确性，标准表处留有备用
接口，以方便用高精度的气体流量计来随时核查标准传感器的准确度以及校验小口径涡街传感器使用。该装置采用的是高压离心风机，为了稳定气源的流量和压力，该风机由一台变频器控制风机的转速。
标准表前后直管端均采用前25D后10D的设计，满足了国家标准JB/T9294-1999及检
定规程JJG643-2003的要求。

四. 数学模型的建立
因检测介质是空气，可视为理想气体，图2是三台并联流量传感器的示意图：

由图可知，流过被检流量计的质量流量等于流过各个标准流量计的质量之和，即：
（1）
由 m = ρq 得：
（2）
（3）
在速度式流量计中： （4）
将（4）代入（3）：
（5）
对于气体这种可压缩气体存在如下关系：
（6）

将（6）代入（5）：

(7)
（8）
式中：1. ms1 ms2 ms3 mt – 分别是同一时间内流经标准表及被校表的质量流量；
2. ρs1 ρs2 ρs3 ρt – 分别是标准表及被校表的工况状态下的密度；
3. fs1 fs2 fs3 ft 分别是标准表与被校表的脉冲数；
4. qs1 qs2 qs3 qt — 分别是同一时间内流经标准表及被校表的体积流量；
5.Ks1 Ks2 Ks3 Kt – 分别是标准表与被校表的仪表常数。
由数学模型可知，被检表的流量系数的确定是由标准表的温度、压力、流量系数，被
检表的温度、压力来决定的；并且可以看出被检表的流量大小是由标准表数量及其流量大小来决定的。如果风源足够大，理论上只要增加标准表的数量就可达到校验大流量传感器的目的。

五. 硬件的组成及软件的实现
考虑到长期连续使用的可靠性，控制系统采用的是工业PC机，采集信号选用高性能数字采集卡；模入模出接口卡；光电隔离脉冲计数定时接卡等。16路模拟量采负责采集温度、压力等模拟量信号，开关量板卡负责气动阀门的开关控制信号。
系统采用亚控工业组态平台进行开发，以VC++，VB编程平台为辅助，使运行有良好的人机界面，操作直观，简便。
系统设计时主要考虑校验大流量流量传感器时，并联使用标准表校验大口径传感器的小流量时选择一台标准传感器，让该流量落在标准传感器的中限；在校验大口径大流量时则同时开启两种以上标准传感器，如果各标准表流量不满足标准传感器的要求，则通过调整风机风压来达到要求。要求根据被校表的流量来选择最合适的标准传感器，选择标准传感器的原则是：
1.使用标准传感器的溯源流量点；
2.使用标准传感器的中限流量。
另该装置仍可实现传统的串联定点标定方式，如校验DN100传感器，则将除DN100的其他标准传感器的阀门关闭，在检定时，使用标准的定点参数来校验被校表即可。软件总体的设计流程如下：

图3 软件总体的设计流程图

在数据处理的过程中，脉冲计数的计数方法和读取方法是一个关键，直接影响到检定结果的准确和可靠。在这个过程处理时一般有定脉冲和定时两种方法。下面就定时方法做简单介绍。
方法一：开启一个定时器，同时将计数器的内容清零并打开计数器。当定时器到达定时时刻时，关闭计数器；同时读取计数器的内容并清零计数器，进行下一个定时周期的计数，将读取的计数器数据进行数据处理。
方法二：开启一个定时器，打开计数器的同时将计数器的内容保存在一个数据存贮器（F1）中；在定时器到达定时时刻时，读取计数器数据存贮在数据存贮器（F2）中。做如下操作：
ΔF= F2- F1；F2送F1。
ΔF为在定时时刻内计数器的计数数值，将该数值进行处理运算。注意：当F2＜F1时，应对 ΔF求补，以获得真值。
两种方法中，第一种在计数的关闭、开启过程种可能丢失脉冲数，产生计数误差，程序简单，运行速度快。第二种由于计数器是连续计数，所以不会产生脉冲的丢失但程序处理较复杂，占用内存较多。但为提高仪表的准确度最好采取第二种方法进行脉冲信号的计数和读取。
方法二流程图如下：

六. 流量校验
系统投入运行后，首先通过参数比对的方式与省计量所的检定装置进行了数值比对。我们随机抽了两台涡街传感器进行实验；一台口径为DN300编号为0601013，另一台口径为DN350编号为06010122，在校验中通过调节变频控制风机风速，通过气动阀门选择不同型号标准传感器进行组合，使标准表的流量落到它的中限以保证数据的可靠性。每台表校验了五个点，每点校验了三次，结果分别如下：

口径DN300编号0601013

通过以上两个表格的数据来看，用并联式传感器的方式来校验大口径的传感器是可以实现的，因受风机风量限制，此装置目前最大流量只到8500m3/h左右。
注意事项：
第一点：设计装置中要注意管道压力损失，选择合适风压风机尤为重要，如果不经过合理计算，选择风机风压不恰当，实际运行中会出现校验小口径传感器时上限上不去的现象。
第二点：选择合适阀门，保证校验过程中阀门一点不泄漏是保证校验数据准确性的重要一环。我们在调试装置和使用中发现，即使阀门有一丝泄漏，对被校表的仪表常数都有较大影响，如果标准表的阀门泄漏，被校表的仪表常数常增加很多。选择大厂生产的蝶阀或球阀是保证设备正常运行的关键。
第三点：要保证校验过程温度、压力保持稳定，特别是每次三点的检定过程。
第四点：装置在制作安装过程中要精细，保证管道的同心度和直管端，以及法兰连接的焊口要平齐，密封垫不得突入管道内。
七. 结束语
随着大口径传感器的实际应用，建设大流量校验装置已成为的迫切需要。并联式流量标准装置因其兼容常规的串联校验方式，投资少建设周期短而得到重视。随着经验的积累，必将不断完善，也将得到很快的发展。

参考文献：
JJG-198 速度式流量计检定规程
JJG-643 标准表法流量标准装置
参考文献：苏彦勋 并联式标准表法气体流量装置。
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应用案例：
1、 东营市计量所（获得东营市科技进步奖）
2、 威海欧迈特测控设备有限公司
3、 烟台泰华仪表有限公司
4、 东营思达特测控设备有限公司
5、 潍坊市思达特测控设备有限公司