智能孔口流量計校準方法研究

智能孔口流量計校準方法研究

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.河北省計量監(jiān)督檢測院 氣體流量實驗室，河北 石家莊050051)

摘要：通過研究智能孔口流量計的工作原理，提出了基于鐘罩標準裝置的正壓校準法和基于標準流量計的負壓校準法，分別建立了實驗測量系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型. 通過2種校準法的檢測實驗，對實驗結(jié)果的不確定度進行了分析評價，并對2種方法進行了比對分析.

關(guān)鍵詞：智能孔口流量計；正壓法；負壓法；不確定度分析

DOI：10.3969/j.issn.1000-1565.2015.05.017

中圖分類號：TK313;X830.2文獻標志碼：A

收稿日期：2015-04-10

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(61475041)；河北省自然科學(xué)基金資助項目(F2015201215)；河北省教育廳重點資助項目(ZH2012064)；河北省教育廳青年基金資助項目(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)境空氣檢測中對大氣中顆粒物樣品(如PM2.5, PM10)采集分析中常用的一種儀器，一般將環(huán)境檢測中為總懸浮顆粒物采樣進行流量校準用的孔口流量計稱為“標定總懸浮顆粒物采樣器用的孔口流量計”.目前在環(huán)境檢測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，相對應(yīng)的孔口流量計也分為大、中流量2種.其量程范圍分別為0.8~1.4 m3/min，75~125 L/min，準確度小于2%. 智能孔口流量計由孔口流量計和二次儀表構(gòu)成，其工作原理和構(gòu)成如圖1所示.

根據(jù)伯努利方程和流動連續(xù)性方程，孔口流量計檢測數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

圖1　智能孔口流量計結(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來確定的，根據(jù)中國環(huán)境保護行業(yè)標準HJ/T368—2007[1]要求，針對大孔口流量計以羅茨流量計作為標準表，采用負壓校準方式.針對中孔口流量計以鐘罩式氣體流量標準裝置為標準，采用正壓校準方式.從上述標準[1]可知對孔口流量計的校準方法均采用標準體積法，根據(jù)流量范圍的不同，選取了不同的標準器及正負壓校準方式，對于不同流量范圍的同一類型流量計采用不同標準的檢測方法，對孔口流量計的實際校準工作帶來了一定困擾，而現(xiàn)階段高精度鐘罩式氣體流量標準裝置和標準羅茨流量計無論是量程范圍還是精度等級都可以覆蓋大、中孔口流量計的流量范圍和檢測精度要求.因此本文以中孔口流量計為對象，分別采用鐘罩式氣體流量標準裝置和羅茨流量計校準方法設(shè)計了實驗校準系統(tǒng)，對其進行了校準，對正負壓2種校準方法檢測結(jié)果進行比對并作了系統(tǒng)分析，為孔口流量計檢測系統(tǒng)的同一化作了一些有益的探討.

1孔口流量計校準方法

1.1　標準表負壓法及其示意

標準表負壓法[1]選用0.5級標準羅茨流量計作為標準設(shè)備，以穩(wěn)壓氣泵作為氣源，通過變頻器調(diào)節(jié)設(shè)置流量點，連接處均采用不銹鋼直管連接(L≥10D)，智能孔口流量計的連接端與標準羅茨流量計進氣口端的直管段直接相連，孔口端則直通大氣.當氣泵和變頻器運轉(zhuǎn)后，氣體通過孔口端流經(jīng)智能孔口流量計，通過直管段，流經(jīng)標準羅茨流量計并最終排向大氣.具體連接方式如圖2所示.

圖2　負壓法檢測孔口流量計示意

1.2　鐘罩正壓法及其示意

鐘罩正壓法[1]中選用0.5級2 000 L鐘罩作為標準設(shè)備，直管段與孔口流量計內(nèi)外直徑保持相同，孔口端與鐘罩式氣體流量標準裝置的排氣管相連，孔口連接端與大氣保持相通.當鐘罩排氣閥打開時，氣體經(jīng)過直管段通過孔口端，然后經(jīng)過孔口直管段，直接排向空氣.具體連接方式如圖3所示.

圖3　正壓法檢測孔口流量計示意

1.3　中孔口流量計標稱參數(shù)

流量為80~120 L/min，準確度等級1.0級.

2校準結(jié)果比對及分析

由于總懸浮顆粒物采樣器采樣流量一般為固定流量值，即孔口流量計定點使用而非全量程，因此本次實驗選取了3個常用點(80，100，110 L/min)進行檢測分析.為了確保檢測數(shù)據(jù)的真實可靠性減小隨機誤差等微小因素的影響，在保證重復(fù)性條件下每個流量點檢測6次[2-3].

2.1　負壓法檢測結(jié)果

在保證重復(fù)性條件下，針對上述3個流量點在負壓法實驗裝置上進行實流校準實驗，標準羅茨流量計示數(shù)及數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表1所示.

表1　負壓法檢測智能孔口流量計數(shù)據(jù)

V1.起始流量；V2.終止流量；qv.智能孔口流量計瞬時流量，采取定時讀取瞬時流量并取其10次讀數(shù)的均值；qs標準流量值，Δr相對誤差，Sr標準差.

2.2　正壓法檢測結(jié)果

在保證重復(fù)性條件下，針對上述3個流量點在正壓法實驗裝置上進行實流校準實驗，鐘罩式氣體流量標準示數(shù)及數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表2所示.

表2　正壓法檢測智能孔口流量計數(shù)據(jù)

p0.鐘罩內(nèi)壓力；qs.經(jīng)溫壓補償后鐘罩標況流量；qv.智能孔口流量計瞬時流量，采取定時讀取瞬時流量并取其10次讀數(shù)的均值；Δr相對誤差，Sr標準差.

2.3　不確定度分析

2.3.1標準表負壓法不確定度分析

在實際測量中，取多次的測量均值作為校準結(jié)果，即

(2)

單次測量標準差為

(3)

計算結(jié)果如表1中Sr/%列所示.

(4)

計算結(jié)果如表3所示.

表3　負壓法檢測結(jié)果不確定度

通過對標準表負壓法檢測系統(tǒng)的不確定度分析，結(jié)合誤差理論及測量不確定度評定[4]知識，得到標準表負壓法B類合成相對標準不確定度公式

(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

通過公式(2)~(4)計算鐘罩式正壓法的A類標準不確定度如表5相應(yīng)列所示.

表5　正壓法檢測結(jié)果不確定度一覽表

通過對鐘罩式正壓法檢測系統(tǒng)的不確定度分析，結(jié)合誤差理論及測量不確定度評定[4-5]知識，得到鐘罩式正壓法B類合成相對標準不確定度公式

(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　比對結(jié)果

將基于標準羅茨流量計負壓法與鐘罩式氣體流量標準裝置正壓法測量結(jié)果及其不確定度進行比對，其比對結(jié)果如表7所示.

表7　正負壓檢測方法結(jié)果比對

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

3結(jié)論

1) 通過對2套校準系統(tǒng)的不確定度分析，標準羅茨流量計負壓法其測量不確定度要優(yōu)于鐘罩式正壓法，影響鐘罩式氣體流量標準裝置的不確定度因素較多.2種檢測校準系統(tǒng)均滿足精度要求.

2) 鐘罩正壓法優(yōu)點：運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，壓力波動較小，精度高；缺點：鐘罩容積為定值，可用于檢測時間短；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，無法滿足大流量孔口流量計的檢測需求.

3) 標準表負壓法優(yōu)點：根據(jù)不同測量范圍可選適當?shù)臉藴时?，管路設(shè)計安裝簡便易拆卸，能長時間提供穩(wěn)定流量值，檢測時間不受限制，其流量范圍可完全覆蓋大、中流量孔口流量計的檢測；缺點：氣源穩(wěn)定性略差，功率要求較高；標準表脈動會影響校準精度.

參考文獻:

[1]HJ/T 368—2007 . 環(huán)境保護產(chǎn)品技術(shù)要求標定總懸浮顆粒物采樣器用的孔口流量計[S].

[2]宗慧娟，徐英華．標定總懸浮顆粒物采樣器用的孔口流量計校準方法的探討[J]．現(xiàn)代測量與實驗室管理，2006(5)：15-16.

[3]龔雪平，丁蕓．大流量孔口流量計的校準、數(shù)據(jù)處理及誤差分析[J]．環(huán)境科學(xué)研究，1997，11(6)：53-57.

GONG Xueping, DING Yun. Calibration of high-volume orifice flowmeter and its data process, error analysis[J]. Research of Environmental Sciences, 1997，11(6)：53-57.

[4]李金海．誤差理論與測量不確定度評定[M]．北京：中國計量出版社，2003：108-157.

[5]蘇彥勛，梁國偉，盛?。髁坑嬃颗c測試[M]．北京：中國計量出版社，2007：129-131.

(責任編輯：趙藏賞)