气体流量计的干式检定

气体流量计的干式检定

荷兰G.de，Boer等

摘要：目前，大多数欧洲国家用于财务核算和贸易输送计量的气体涡轮流量计和新型的气体超声流量计通常是在测试装置上对照计量标准或标准流量计进行检定。由于在标准装置上进行检定存在实际操作上的缺点，检定成本高且只有少数几个标准装置可以利用，因此流量计检定的另一种方法具有一定优势。对孔板流量计，干式检定的实践早已很好地确定，即孔板流量计的检定可基于对孔板几何尺寸和安装条件的检验以及对二次表（显示）仪表功能的检验。虽然气体涡轮流量计的实流检定还是必要的，但气体超声流量计却可以像孔板那样采用干式检定。本文介绍了有关变量相对于流量计精度的敏感度分析，它可以作为采用气体超声流量计干式检定方法的基础。文中还介绍了进一步的测试结果，表明了气体超声流量计干式检定方法的可行性。

一、概述

气体超声流量计，特别是多声道的气体超声流量计，在天然气贸易输送计量中已愈来愈多地为人门所接受。对于这些应用场合，对流量仪表的校准或检定通常是一种法制要求，或是根据买卖双方之间合同而提出的一种要求。在理想情况下，这种检定或校准是将流量计与一个计量标准或参考标准进行比对，所采用的标准对国家或国际标准溯源性是必要的先决条件。

遗憾的是，那种能对大流量气体进行控制并且可利用标准流量计进行精确测量的装置实在是太少了，其运行费用也很昂贵。为了进行校准或检定，必须将流量计从管道上拆下来，然后再送往标准装置，这对于操作者来说是一件很麻烦的事。在检定费用本身已经很高的情况下，操作者还必须面对拆卸、运输这些流量计以及生产装置停车等许多附加开支。特别是大口径气体流量计的检定测试装置的能力可能对其大流量的测试有所限制，在一年中很短的时间（比如几个月）内进行。在标准装置上检定流量计的优点在于流量计所有者能得到详细说明流量计准确度的计量合格证书，并能对流量计进行调整，以减少其相对于检定装置的校准测量误差或偏差。

然而，如果考虑巨额的代价及操作上的缺点，那种不要求把流量计送往检定装置就能进行校准或检定的想法是极具吸引力的。对于孔板流量计就已很好地确立了类似的实践方法，孔板流量计的检定就是根据对其几何尺寸和安装条件的检查及对变送器及显示仪表功能的检查而进行的。这种方法已得到了世界范围的认可。

二、气体超声流量计的原理

气体超声流量计的原理如图1所示。

图1 气体超声流量计的工作原理

在流体管道中安装有2个能发送和接收超声脉冲的传感器，其安装方式使得一个传感器发出的超声脉冲能够被另一个传感器接收，从而形成声道。两个传感器轮流发射和接收脉冲，超声脉冲相对于气体以声速传播。沿声道顺流传播的超声脉冲的速度因被测气体流速在声道上的投影（与其方向相同）而有所增加。而沿声道逆流传播的超声脉冲的速度因被测气体流速在声道上的投影（与之方向相反）而有所减少。这样就得到了超声脉冲在顺流和逆流方向上的传播时间：

(1) (2)

式中：L--声道长度；

C--在被测介质（气体）中的声速；

V m--流动介质（气体）的流速；

--被测介质流动方向的矢量与声道之间的夹角。

由式（1）和式（2）可以推导出计算被测气体流速的表达式：

(3)

值得注意的是，被测气体中的声速在表达式中被消掉了，这就意味着被测气体流速的测量与被测气体的性质（如压力、温度和气体组分等）无关。

三、用单声道流量计测量流量

若要测量被测气体的体积流量，需要被测气体的流速与管道横截面积相乘。当气体流速在整个横截面上都相同（即具有均匀的速度分布）时，用上述方法计算得到流量准确值。然而，由于实际情况并非如此，这就需要引入一个与速度分布形状有关的系数K进行修正。

图2 速度分布剖面的修正系数

V m表示由超声流量计测得的被测气体的平均速度。这是沿声程平均的线性加权的气体流速。由此可以得出计算气体流量的表达式：

(4)

式中： A--管道横截面积；

K--速度分布剖面的修正系数。

通过检索文献和自行研究，INSTROMET建立起了雷诺系数（Re）与速度分布修正系数K之间的关系曲线，如图3所示。

该曲线适用于只有一个通过圆形管道中心声道的声道流量计。由于实际情况不同，速度分布可能会表现出一定的差异，从而导致速度分布修正系数K的不确定度。这一不确定度可以根据在大量测试中所得到的剩余误差（如图4所示）进行估计。从该关系曲线中可以看出，对单声道流量计雷诺修正系数不确定度的实际估计值约为1%左右。

图3 雷诺数Re与速度分布修正系数的关系曲线

图4 单声道超声流量计速度分布修正误差的曲线

四、用多声道超声流量计测量流量

贸易输送中一般使用多声道流量计，其原因是因为单声道流量计速度分布修正系数的不确定度对贸易输送计量而言是不可接受的。通过使用积分技术，多声道流量计能够用多声道数据提高速度分布修正的精确度。其在形式上可以用下式表示：

(5)

除了大括号里的部分表示为多个声道的积分外，该表达式与单声道流量计的表达式是一致的。式（5）中还包括有一个乘数F，它表示一个修正系数，该修正系数一般默认为l。但为了使流量计误差达到最小，还可以根据流量计的实流校准结果，对这一系数进行调整。

五、干式检定

流量计的干式检定并不是其字面意义上的校准，这是因为这种方法不是根据与某一标准或基准相比对来检查测量结果，并进行必要的调整，因而用"检定"一词显得较为恰当。

与孔板的干检方法相类似，气体超声流量计干检方法的基础是：

l、几何尺寸的检定；

2、传播时间差；

3、利用表格、公式或数学表达式建立气体流量与被测变量的关系式。

对于气体超声流量计而言，有关的几何参数可以像孔板流量计那样测得很准确。而且，可以运用相当简单的数学方法对几何量不确定度的影响进行全面的估计和分析。

值得一提的是，利用当代最新的电子线路和高质量的石英晶体振荡器，可以以等同于或优于差压变送器的极好精度与稳定性进行时间的测量。有关INSTROMET公司气体超声流量计基本稳定性的例子如图5所

示。

图中示出两条误差曲线：一条是当新仪表初次使用时测得的，另一条是仪表在线使用约2年后测得的。

根据实际应用的需要，只在流量测量范围内的小流量段对仪表进行了检定。图5数据表明，该仪表具有很好的复现性。而在极低的流量情况下出现的较大变化（通常是随机的），也是正常和可以接受的。

孔板流量计的流出系数和气体超声流量计的速度分布修正系数是以实验研究为基础来确定的。由INSTROMET公司生产的超声流量计具有一个不断增加的试验数据库，一些统计结果将在本文的后面提供。