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浮子流量計應用及示值誤差測量不確定度
发布时间:2021-1-26 08:28:22

【摘要】浮子流量計是一种常用的可变截面式压差流量计量装置,结构简单、成本低、工作可靠性高,可测量流量小和节流压力损失小的特点,因此,在石油、煤炭、冶金、轻化工业、食品卫生等工业领域中广泛应用。本文介绍了浮子流量計的应用,以及示值误差的测量不确定度。测量不确定度是一种对测量结果可信程度的表示方式,文章后半部分讲述了钟罩式气体流量标准装置检定浮子流量計时,其测得值的示值误差不确定度评定方法。依据检定规程气体流量中,用容积法测量浮子流量計的实际流量,用其示值误差的换算公式建立测量模型,分别计算相关关系的输入量的不确定度分量,得到合理的评定结果。
引言
  浮子流量汁(又稱轉子流量計)是一種傳統的可變面積式流量測量裝置,當流量發生改變,浮子在垂直錐形管內上下移動時,錐管和浮子之間形成的環行流通面積發生改變,以此原理實現對流量測量的體積式流量儀表。它具有機械結構簡單、加工方便、工作穩定、可靠性高及壓力損失小等優點,尤其可以測量低雷諾數小流量介質的特點,因此在液體、氣體的流量測量和自動控制系統中被廣泛應用。
  浮子流量計按其结构形式可以分为两大类:玻璃管浮子流量計,金属管浮子流量計。
  玻璃管浮子流量計是实验室和工业上最常用的一种流量计。其特点在于结构简单、直观、压力损失小、维修方便。玻璃管浮子流量計适用于测量管道直径小于100mm的小流量,使用该流量计必须安装在垂直方向的管道上,流体介质自下而上通过。玻璃管浮子流量計的主要测量元件是一根垂直安装且上面大、下面小的锥形玻璃管,和一个在内部可以上下移动的浮子。当流体自下而上经过锥形玻璃管时,浮子的上下端之间产生压差,浮子在此差压作用下上升。当浮子所受差压力、所受浮力及粘性升力与浮子的重力合力为零时,浮子处于平衡位置。因此,流经玻璃管浮子流量計的流体流量与浮子上升高度,即与流量计的流通面积之间存在着一定的比例关系,浮子的位置高度所在的刻度可作为流量计示值。
  金属管浮子流量計特点在于结构简单、工作可靠、准确度高、适用范围广。与玻璃管浮子流量計相比较,能耐较高的压力。该流量计具有就地指示、电远传、限位开关报警、耐腐蚀、夹套型、阻尼型和防爆型等多设计品种。广泛应用于国防、化工、石油、冶金、电力、环保、医药和轻工等行业的液体、气体流量的测量与自动控制。金属管浮子流量計主要由三大基本部分组成:测量管体、锥形浮子、指示器。浮子的位移量与流量的大小成比例,通过磁耦合系统,以不接触方式,将浮子位移量传给指示器指示出流量的大;也可装配不同的转换器,将流量值转换成标准电远传信号,实现远距离显示、记录、积算和控制等功能。
  金属管浮子流量計用于气体测量时,制造商需要以标准状态(20℃、101.325Pa)下的干空气作为气体标尺分度。如果金属管浮子流量計在特殊压力下的校准时,气体在流量计的出口直接排放到大气,将会在浮子处产生较大的压力损失,引起数据缺乏真实。因此在这样的工况条件下,应当在流量计的出口安装一个阀门,以便对所需流量值进行设定;当浮子上方维持标校压力时,气体将在阀门处膨胀。测量时还应保证管道压力不小于5倍仪表压力损失,以确保浮子工作稳定,因此,一般测量气体的仪表配有气体阻尼器,以最大限度减小浮子震荡。
  下面介绍用钟罩式气体流量标准装置对浮子流量計开展检定时,从被检计量器具重复性、标准器引入的不确定度分量、气体流量温度及压力补偿方面的考虑,对被检浮子流量計进行不确定度分析。
1概述
1.1檢定依據
  JJG257-2007《浮子流量計检定规程》
1.2環境條件
  檢定溫度爲(5~35)℃,相對濕度爲(45~75)%,大氣壓力爲(86~106)kPa。
1.3計量標准
  鍾罩式氣體流量標准裝置(以下簡稱鍾罩),准確度等級爲0.2級。
1.4被檢對象
  气体浮子流量計(以下简称流量计),最大流量为25L/min,准确度等级为2.5级,刻度温度:20℃,刻度压力:101.32kPa,介质:空气。
1.5檢定方法
  钟罩排出气体流入流量计,测量排出钟罩的气体体积和同步累计时间,以及钟罩内和流量处的气体压力和温度,计算出流量计在刻度状态下的实际流量。当检定用介质密度与刻度介质密度不同时,实际流量应进行修正。计算流量计的刻度流量与流量计在刻度状态下的实际流量之差,即可得到该浮子流量計的示值误差。
2數學模型

式中:δ——流量計的示值誤差(L/min);qVS——流量計的刻度流量(L/min);pN、ps、pm——分別爲刻度狀態、鍾罩內和流量計前的氣體絕對壓力;TN、Ts、Tm——分別爲刻度狀態、鍾罩內和流量計前的氣體熱力學溫度。
PN=101325Pa;TN=293.15K。
3輸入量的標准不確定度評定
3.1輸入量qVS的標准不確定度u(qVS)評定
  輸入量qVS的不確定度主要來源于流量計的測量重複性,可通過連續測量得到測量列,采用A類方法進行評定。對流量計在刻度6L/min流量下連續測量6次,得到示值分別爲:5.924、5.906、5.884、5.873、5.821、5.905(L/min),按極差法計算單次測量實驗標准差

    1. 輸入量V的標准不確定度u(V)的評定

  輸入量V的不確定度主要來源于鍾罩式氣體流量標准裝置的不確定度,采用B類方法進行評定。0.5級鍾罩流量測量不確定度爲Urel=0.5%,包含因子k=2,當標准容積爲50L時,則標准不確定度爲

3.3輸入量ps的標准不確定度u(ps)的評定
  輸入量ps的不確定度是由傾斜式微壓計和空盒氣壓表的示值誤差引起的不確定度u(ps1),由鍾罩的壓力波動引起的不確定度u(ps2),采用B類方法進行評定。
  1.0級傾斜式微壓計的最大允許誤差爲±1.0%,當鍾罩內壓力爲2000Pa時,最大示值誤差爲±20Pa,空盒氣壓表的最大允許誤差爲±200Pa,估計兩者均服從均勻分布,所以傾斜式微壓計和空盒氣壓表的示值誤差之和應在±220Pa範圍內服從三角分布,包含因子k=/6,則標准不確定度爲

3.4輸入量Ts的標准不確定度u(Ts)的評定
  輸入量Ts的不確定度是由溫度計的示值誤差引起的不確定度u(Ts1),檢定過程中鍾罩內的氣體溫度波動引起的不確定度u(Ts2),采用B類方法進行評定。
  分度值爲0.2℃的工作用玻璃液體溫度計的最大允許誤差爲±0.3℃,即爲±0.3K,估計服從均勻分布,包含因子k=/3,所以,標准不確定度爲

  鍾罩溫度差控制不大于0.5℃,區間半寬爲0.25K,估計服從均勻分布,包含因子k=/3,所以,標准不確定度爲


3.5輸入量pm的標准不確定度u(pm)的評定
  輸入量pm的不確定度是由傾斜式微壓計、空盒氣壓表的示值誤差和鍾罩的壓力波動引起的,該項評定同3.3,所以
u(pm)=u(ps)=91Pa,v(pm)=50
3.6輸入量Tm的標准不確定度u(Tm)的評定
  輸入量Ts的不確定度是由溫度計的示值誤差和檢定過程溫度波動引起的,該項評定同3.4,所以,
u(Tm)=0.2K,v(Tm)=61
3.7輸入量t的標准不確定度u(t)的評定
  輸入量t的不確定度是由電子秒表的示值誤差引起的,電子秒表的最大允許誤差爲±0.5s/d,估計服從均勻分布,包含因子k=/3,則標准不確定度爲

c4=0.088L/(min·K),c5=1.24×10-4L(min·Pa),c6=-0.043L/(min·K),c7=12.7L/(min·min)。
4.2標准不確定度一覽表
見表1。
4.3合成標准不確定度的計算
  輸入量qVS、V、ps、Ts、pm、Tm、t彼此獨立,所以合成標准不確定度可按下式計算得:

5擴展不確定度的評定
取包含因子
k=2,擴展不確定度爲
U=k×uc(δ)=2×0.06=0.12L/min
相對擴展不確定度爲

6測量不確定度的報告與表示
  气体浮子流量計在流量计刻度为6L/min,相對擴展不確定度爲
Urel=0.5% k=2
7結束語
  以上对被检浮子流量計测量结果的不确定度来源进行了较为深入的分析,可以作为以后浮子流量計检定校准工作的参考。

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