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標準表法渦輪流量計誤差評定方法

來源: 中國石化天然氣分公司計量研究中心 作者:閆海明 發布日期:2020-09-17 10:20:58

 摘 要: 對 6 臺標準渦輪流量計的測量數據進行分析,采用線性內插和曲線擬合方法,比較兩種方法計算結果的不確定度,結果表明采用曲線擬合的方法對渦輪流量計的誤差評定更符合流量計的儀表特性,且引入更低的不確定度。

 
0 前言
標準表法流量裝置是指流體在相同的時間間隔內連續通過標準流量計和被檢流量計,用比較的方法確定被檢流量計的準確度的方法。裝置由流體源、試驗管路系統、標準流量計、流量調節閥以及輔助設備等組成,方便量值傳遞、擴大流量范圍、節約投資和提高檢定效率。渦輪流量計具有精度高、響應快、測量范圍寬和壓損小等優點,[1]常作為標準器應用在標準表法流量標準裝置中。
 
根據 JJG 643 - 2003《標準表法流量標準裝置》可知,利用標準裝置對流量計進行檢定時,選取量程內的固定幾個流量點作為檢定點,檢定點與被檢流量計工作時的實際流量點不一致,即非定點使用的情況。非定點使用的流量計,需基于檢定點的不確定度對未檢定流量點的不確定度進行評估,不同的評估方法對不確定度的引入存在差別。本文對 6 臺渦輪流量計的校準結果為參考,采用線性內插和曲線擬合兩種方法對比,分析兩種評估方法。 1 渦輪流量計渦輪流量計是一種流量測量儀表,流動流體的動力驅使渦輪葉片旋轉,其旋轉速度與體積流量近似成比例。通過流量計的流體體積示值是以渦輪葉輪轉數為基準的。使用儀表系數 K 計算流量計示值誤差的為 A 類,使用累積流量計算流量計示值誤差的為 B 類。
 
 1. 1 使用儀表系數 K 計算示值誤差
使用儀表系數 K 計算示值誤差
式中: Ki———檢定點的平均儀表系數,( m3 ) - 1 或 L - 1 ; 
Kij———第 i 檢定點第 j 次檢定的系數,( m3 ) - 1 或 L - 1 ;
Nij———第 i 個檢定點第 j 次檢定時流量計顯示儀表測得的脈沖數; 
Vij———第 i 個檢定點第 j 次檢定時標準裝置測得的實際體積,m3或 L;
 i———1,2,…,m,m 為檢定點數,m≥3; 
j———1,2,…,n,n 為檢定點數,n≥3。
 
渦輪流量計的儀表系數 K:
QQ截圖20200917102332.jpg
渦輪流量計儀表的非常大示值誤差 E:
 

20200917102407.jpg

 
 
1. 2 使用累積流量計算流量計的相對示值誤差
QQ截圖20200917102332.jpg
式中: Eij———第 i 檢定點第 j 次檢定被檢流量計的相對示值誤差,% ; 
Vij———第 i 檢定點第 j 次檢定時流量計顯示的累積流量值,m3 ; 
( Vs) ij———第 i 檢定點第 j 次檢定時標準器換算到流量計處狀態的累積流量值,m3。 
 
第 i 檢定點被檢流量計的相對示值誤差( 見表1) :
 

20200917102438.jpg

渦輪流量計校準數據

 
2 誤差評估方法
2. 1 線性內插
渦輪流量計的理想特性是假定渦輪處于勻速運動的平衡狀態,并且機械摩擦阻力矩和流體對渦輪的阻力矩均可忽略的條件下,儀表系數與流量之間的關系為線性。
 
對于非定點使用下渦輪流量計的相對示值誤差,國內普遍采用線性內插法( 簡寫為 LI) ,即通過相鄰流量的 qv,i、qv,i + 1及誤差 Ei、Ei + 1,采用線性內插的方式計算得到相鄰流量間 qv,I,i +1的誤差 ELI,i,i +1,則:
20200917102519.jpg
將示值誤差視為 B 類不確定度,為矩陣分布, KLI,i,i + 1相對標準不確定度 ur( KLI,i,i + 1 ) 為:
20200917102523.jpg
線性內插法的相對標準不確定度 ur,K - LI,為標準不確定度中的非常大值( 見表 2) :
20200917102528.jpg線性內插引入的不確定度
 
2. 2 曲線擬合
渦輪流量計的儀表系數主要受機械摩擦阻力和流體阻力的影響。機械摩擦阻力越小,流量計的始動流量值也越小,即在小流量區段量限越寬,減小流量計的軸與軸承間的摩擦力可提高小流量特性。流體的運動粘度較低時,儀表系數幾乎為一常數,超過某一黏度值后,儀表系數將隨著運動黏度的增大不再呈現線性。 對 6 臺渦輪流量計的校準數據進行流量計誤差E 和檢定點 qv 間進行曲線擬合,計算擬合參數和不確定,其公式如下:
20200917102638.jpg
帶入多項式擬合公式中,計算得到儀表系 數KCR,i,與實驗測試結果 Ki間的偏差 DCR,i為:
20200917102641.jpg
基于各流量點的偏差,并考慮多項式擬合公式中 5 個常數計算對自由度的影響,擬合曲線的不確定度 ur,K - CR為:
20200917102713.jpg
計算出 6 臺渦輪流量計的擬合系數和不確定度,具體數據見表 3。
曲線擬合系數及不確定度
 
2. 3 評估方法比較
基于 6 臺渦輪流量計的校準結果,線性內插和曲線擬合得到的各渦輪流量計的不確定度如圖1 所示。
兩種評估方法的不確定度
圖 1 表明: 線性內插法的不確定度明顯超過曲線擬合法,線性內插的不確定度非常大為 0. 072% ,曲線擬合法非常大為 0. 025% ,其中兩種不確定度差異非常大的達到 0. 047% 。 
 
3 結論
以 6 臺氣體渦輪流量計的測量數據為基礎,比較線性插值和曲線擬合兩種誤差評定方法引入的不確定度,曲線擬合結果更符合渦輪流量計的儀表特性,能更好的預測渦輪流量計在各流量點的誤差值,實現量值傳遞的準確可靠。
 
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