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浮子流量计应用及示值误差测量不确定度
发布时间:2021-1-26 08:28:22

【摘要】浮子流量计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计的应用,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计时,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计的实际流量,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(又称转子流量计)是一种传统的可变面积式流量测量装置,当流量发生改变,浮子在垂直锥形管内上下移动时,锥管和浮子之间形成的环行流通面积发生改变,以此原理实现对流量测量的体积式流量仪表。它具有机械结构简单、加工方便、工作稳定、可靠性高及压力损失小等优点,尤其可以测量低雷诺数小流量介质的特点,因此在液体、气体的流量测量和自动控制系统中被广泛应用。
  浮子流量计按其结构形式可以分为两大类:玻璃管浮子流量计,金属管浮子流量计。
  玻璃管浮子流量计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。玻璃管浮子流量计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。玻璃管浮子流量计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计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。
  金属管浮子流量计特点在于结构简单、工作可靠、准确度高、适用范围广。与玻璃管浮子流量计相比较,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。金属管浮子流量计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小;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。
  金属管浮子流量计用于气体测量时,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计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计开展检定时,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,对被检浮子流量计进行不确定度分析。
1概述
1.1检定依据
  JJG257-2007《浮子流量计检定规程》
1.2环境条件
  检定温度为(5~35)℃,相对湿度为(45~75)%,大气压力为(86~106)kPa。
1.3计量标准
  钟罩式气体流量标准装置(以下简称钟罩),准确度等级为0.2级。
1.4被检对象
  气体浮子流量计(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检定方法
  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计的示值误差。
2数学模型

式中:δ——流量计的示值误差(L/min);qVS——流量计的刻度流量(L/min);pN、ps、pm——分别为刻度状态、钟罩内和流量计前的气体绝对压力;TN、Ts、Tm——分别为刻度状态、钟罩内和流量计前的气体热力学温度。
PN=101325Pa;TN=293.15K。
3输入量的标准不确定度评定
3.1输入量qVS的标准不确定度u(qVS)评定
  输入量qVS的不确定度主要来源于流量计的测量重复性,可通过连续测量得到测量列,采用A类方法进行评定。对流量计在刻度6L/min流量下连续测量6次,得到示值分别为:5.924、5.906、5.884、5.873、5.821、5.905(L/min),按极差法计算单次测量实验标准差

    1. 输入量V的标准不确定度u(V)的评定

  输入量V的不确定度主要来源于钟罩式气体流量标准装置的不确定度,采用B类方法进行评定。0.5级钟罩流量测量不确定度为Urel=0.5%,包含因子k=2,当标准容积为50L时,则标准不确定度为

3.3输入量ps的标准不确定度u(ps)的评定
  输入量ps的不确定度是由倾斜式微压计和空盒气压表的示值误差引起的不确定度u(ps1),由钟罩的压力波动引起的不确定度u(ps2),采用B类方法进行评定。
  1.0级倾斜式微压计的最大允许误差为±1.0%,当钟罩内压力为2000Pa时,最大示值误差为±20Pa,空盒气压表的最大允许误差为±200Pa,估计两者均服从均匀分布,所以倾斜式微压计和空盒气压表的示值误差之和应在±220Pa范围内服从三角分布,包含因子k=/6,则标准不确定度为

3.4输入量Ts的标准不确定度u(Ts)的评定
  输入量Ts的不确定度是由温度计的示值误差引起的不确定度u(Ts1),检定过程中钟罩内的气体温度波动引起的不确定度u(Ts2),采用B类方法进行评定。
  分度值为0.2℃的工作用玻璃液体温度计的最大允许误差为±0.3℃,即为±0.3K,估计服从均匀分布,包含因子k=/3,所以,标准不确定度为

  钟罩温度差控制不大于0.5℃,区间半宽为0.25K,估计服从均匀分布,包含因子k=/3,所以,标准不确定度为


3.5输入量pm的标准不确定度u(pm)的评定
  输入量pm的不确定度是由倾斜式微压计、空盒气压表的示值误差和钟罩的压力波动引起的,该项评定同3.3,所以
u(pm)=u(ps)=91Pa,v(pm)=50
3.6输入量Tm的标准不确定度u(Tm)的评定
  输入量Ts的不确定度是由温度计的示值误差和检定过程温度波动引起的,该项评定同3.4,所以,
u(Tm)=0.2K,v(Tm)=61
3.7输入量t的标准不确定度u(t)的评定
  输入量t的不确定度是由电子秒表的示值误差引起的,电子秒表的最大允许误差为±0.5s/d,估计服从均匀分布,包含因子k=/3,则标准不确定度为

c4=0.088L/(min·K),c5=1.24×10-4L(min·Pa),c6=-0.043L/(min·K),c7=12.7L/(min·min)。
4.2标准不确定度一览表
见表1。
4.3合成标准不确定度的计算
  输入量qVS、V、ps、Ts、pm、Tm、t彼此独立,所以合成标准不确定度可按下式计算得:

5扩展不确定度的评定
取包含因子
k=2,扩展不确定度为
U=k×uc(δ)=2×0.06=0.12L/min
相对扩展不确定度为

6测量不确定度的报告与表示
  气体浮子流量计在流量计刻度为6L/min,相对扩展不确定度为
Urel=0.5% k=2
7结束语
  以上对被检浮子流量计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计检定校准工作的参考。

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