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主动活塞式气体流量计标准装置的实际应用

时间:2018/09/17来源:未知

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主动活塞式气体流量标准装置已经成熟, 开始逐步推广开来, 但目前的应用还是集中在检定喷嘴等高精度流量计上, 对于其他方面的应用尚未作过多的探究。文章以热式气体质量流量计和湿式气体流量计从瞬时量校准和累积量校准两个方面分别探讨该标准器在气体小流量实际检校工作中的应用。

主动活塞式气体流量标准装置是一种已知气缸或者活塞直径, 电动机驱动活塞位移换算为标准容积的气体流量标准装置。该气体标准装置可直接溯源至长度、温度等基本量, 是原级标准装置, 因此具有准确度高、性能稳定、自动效率高等优点, 往往用作中小气体流量的量传。主动活塞式气体流量标准装置从原理上来说是适用于多种流量计的检校, 诸如湿式气体流量计、临界流流量计、浮子流量计、皂膜流量计、膜式燃气表、热式气体质量流量计等。

该气体流量标准装置制造难点在于机电配合, 对于加工精度要求极高, 再加上国内中小气体流量的量传往往都是采用钟罩式气体流量标准装置为标准。这导致我国活塞式气体流量标准装置的研究起步较晚。后来由于临界流喷嘴的广泛应用 (膜式燃气表检定装置) , 导致对高精度喷嘴的检定需求增加, 再加上检定喷嘴的PVTt法装置经费投入大, 技术难度高, 主动活塞式气体流量标准装置的研究才有了极大的突破。

目前国内的主动活塞式气体流量标准装置研制已经趋向成熟。JJF 1586—2016《主动活塞式流量标准装置校准规范》也已经发布, 对于指导企业生产、校准和应用提供了依据。但实际上使用主动活塞式气体流量标准装置的计量检测机构并不多, 更遑论该气体流量标准装置的实际应用。目前主要的开发研究成果也集中于临界流流量计方向。本文以热式气体质量流量计和湿式气体流量计从瞬时量和累积量两个方面分别探讨了该标准装置在气体小流量实际检校工作中的应用。

1 主动活塞式气体流量标准装置

主动活塞式气体流量标准装置是由支架、步进电机、气缸、精密丝杠、活塞、气动阀、计时器、控制器和计算机组成, 同时配备压力采集和温度采集, 基本结构如图1所示。

图1 主动活塞式气体流量标准装置示意图

图1 主动活塞式气体流量标准装置示意图

 

该气体标准装置名义体积为60 L, 使用量限为5.5~55 L, 流量范围为0.016~6 m3/h, 装置的扩展不确定度为Ur=0.07% (k=2) 。

给气动阀供气后, 启动装置, 复位后, 丝杠处于初始状态, 气动阀处于打开状态。设定流量, 开始测量后, 气动阀关闭 (使气缸内成密封系统) , 步进电机驱动丝杠以恒定速度推动活塞向上位移, 气缸内气体压力经过一个上升过程后逐步达到稳定值, 以此为起点, 活塞驱动气缸内空气以恒定流量从排气口经被检流量计排出, 该恒定流量即为设定流量。排出气体的体积等于活塞从起点开始位移的体积。其累计量数学模型如下:

计算公式 

 

式中:Q为标准装置累计流量, m3;V为活塞运动的体积量, m3;r为活塞半径, m;h为活塞位移距离, m。

设定流量数学模型如式 (2) 所示, 得出的速度即为丝杠运动速度, 再经由编码器控制丝杠匀速运动。

计算公式 

 

式中:q为标准装置设定流量, m3/h;v为标准装置丝杠运动速度, 内部参数, m/h;r为活塞半径, m。

实际瞬时流量可由式 (3) 获得:

计算公式 

 

式中:qs为标准装置实际瞬时流量, m3/h;Q为标准装置累计流量, m3;r为活塞半径, m;h为活塞位移距离, m;t为活塞位移h距离所需的时间, s。

2 气体质量流量计测量实验

热式气体质量流量计是利用热扩散原理测量气体流量的仪表。传感器由两个基准级热电阻 (RTD) 组成。一个是速度传感器RH, 一个是测量气体温度变化的温度传感器RMG。当这两个RTD置于被测气体中时, 其中传感器RH被加热, 另一个传感器RMG用于感应被测气体温度。随着气体流速的增加, 气流带走更多热量, 传感器RH的温度下降。根据热效应的金氏定律, 加热功率P、温度差ΔT (TRH-TRMG) 与质量流量Q有确定的数学关系式。即可得出被测气体的质量流量。目前热式质量流量计已经做到高度集成, 可以直接显示测量时气体温度、压力。不但可以做到工况标况互换, 还可以直接切换不同气体介质流量。

本次方案取瞬时流量计算, 用引用误差表征测量结果。热式质量流量计参数如表1所示。

表1 参数

表1 参数

将被检热式质量流量计与主动活塞式气体流量标准的出气端口相连接, 关闭阀门, 检查密封性。无泄漏后, 按照JJG 1132—2017《热式气体质量流量计检定规程》要求进行测量。装置瞬时流量依次设定qmax、0.5qmax、0.2qmax、qmin, 运行时间设定90 s。待流量稳定后读取装置和被检表的瞬时流量值。

本次测量结果如表2所示。

表2 测量结果

表2 测量结果

本次与原钟罩测量结果比较如表3所示。

表3 结果比较

表3 结果比较

3 湿式气体流量计测量实验

湿式气体流量计是一种无泄漏的气体容积式流量计, 它的每个气室的有效体积是由预先注入流量计的水面控制的, 鼓轮旋转一周, 每个计量室就将被气体充满和排空一次。所以, 只要将鼓轮的旋转次数通过齿轮机构传递到计数指示机构, 就可获得通过流量计的累积流量。

鼓轮转速不宜过快, 所以湿式气体流量计只适用于气体小流量测量。由于其特性, 准确度较高 (定点使用的湿式气体流量计可达0.2级) , 可以用作量传标准装置。

本方案取定点使用的工作用湿式气体流量计。湿式气体流量计参数如表4所示。

表4 湿式气体流量计参数

表4 湿式气体流量计参数

将被检湿式流量计与主动活塞式气体流量标准的出气端口相连接, 关闭阀门, 检查密封性。无泄漏后, 按照JJF 1357—2012《湿式气体流量计校准规范》要求进行测量。装置流量设定为额定流量, 运行时间设定180 s。待检测结束后读取装置和被检表的累积流量值。

测量结果如表5所示。

表5 测量结果

表5 测量结果

本次结果与原钟罩检定结果比较如表6所示。

表6 结果比较

表6 结果比较

4 结束语

从上述实验结果和论述可以看出, 主动活塞式气体流量标准装置在气体小流量的量传有着天然的优势, 一是准确度等级高, 可直接溯源至长度、温度等基本量, 是原级标准装置;二是适用范围广, 适用诸如湿式气体流量计、临界流流量计、浮子流量计、皂膜流量计、膜式燃气表、热式气体质量流量计等多种气体小流量, 并且可以直接得到瞬时量和累计量, 无须转换;三是使用方便, 集成温度与压力采集, 装置占用空间小, 配套被检夹装装置可自行设计, 简单易行;四是便于溯源, 装置关键计量部件如气缸、精密丝杆、活塞可由精测直接测量得出, 溯源方便。

随着技术的进步, 主动活塞式气体流量标准装置造价必然进一步降低, 必将走进国内各级技术机构实验室, 成为我国气体小流量溯源体系内不可或缺的力量。本文仅浅谈该装置在气体小流量的实际检校应用, 未来对该装置的研究还将会大放异彩。


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