标准涡街流量传感器组合比较法气体流量装置的研究和讨论

1 . 引言

近年来，用标准涡街流量传感器（以下简称标准传感器）研究检测气体大流量的方法在国内还是首次，初期的检测装置均为原始标准装置，建设投资昂贵技术复杂，检测效率的，通常又是计量系统、使用单位和仪表制造行业不可缺少的重大设备。

随着科学技术的发展，并由于标准传感器法流量标准装置可以节省大量投资和提高标定效率。在工业发达国家，已获得广泛的应用，如建立同等能力的流量装置，标准传感器法比原始基准法可节省投资约60%，建设周期可缩短一半，而检测效率可提高50%~80%，在国内开展标准传感器法流量检测装置研究，建立和完善有关的理论基础和技术实践，已成为当前技术和经济上迫切需要解决的问题。

2 用标准传感器法建立装置简介

2．1 研究装置的指标

本装置的计量方式是用标准传感器组合比较法，研究检测被检传感器的口径DN80~300mm；流量范围Qv=50~7500mm3/h；准确度±0.5%。

2．2 装置的基本结构（如图1所示）

图1 装置的基本结构

（1）实验管路，该装置由8台口径为DN =50~150mm的标准传感器串，并联组合与被检测的大口径传感器（DN=80~300mm）比较。试验管路按对角线方向平行排列，其目的是节省原材料，降低了造价，又恰好满足各种口径传感器前直段的要求（根据国家标准ZBN12005-1989或规程JJG643-1994）标准传感器前直管段长大于50DN；被检测传感器前直管段长大于20DN；使阻力损失降到最小值。

（2）气源，气源是由二台9-19型高压离心风机和一台LG300×200-1型罗茨风机供给。其中二台同型号的离心机，通过控制电动阀门根据流量大小的需要，实现串联或并联运行，以满足不同流量和不同压力的要求。

（3）标准传感器：该装置选用了8台标准传感器，均为应力式涡街传感器，该仪表的优点是无可动部件具有较高的重复性，有较强的耐过载和耐冲击性。传感器本体用不锈钢具有耐磨损和抗腐蚀性能，该传感器具有很高的稳定性。另外这类传感器的仪表系数不受或很少受被测介质物性参数的影响，所以作为标准传感器使用时，只要与被测料件基本一致就可以了。

目前，我国的气体涡街传感器的标准度一般在0.5级~1级的水平上，从准确度的水平上看，是无法作为0.5级标准传感器使用的，但是这类仪表的范围度很宽，一般都在10：1~15：1左右，而且重复性很好，均在0.2%以内，甚至于更高，如采用压缩范围度在定点标定是提高准确度的有效方法。我们曾做了大量的试验研究工作，结果表明若范围度压缩到2：1或3：1以内，在定点标定均能满足要求，因此，使用该传感器标准，建立气体流量装置是可行的。

（4）流量的分配：为覆盖所有被检测的涡街传感器，经反复进行流通能力的试验，确定了标准传感器的范围度如表1。

表1 流量的分配表

1 检测原理及方法

单台标准流量传感器检测被检传感器时，如图2所示为单台标准涡街流量传感器检测系统。

图2 单台标准传感器检测系统

标准传感器S与被检测传感器t串联于同一管道中，在流动稳定的情况下，任何时刻流过两台传感器的质量流量qm都是相等的，在检测介质为空气的情况下，如空气在检测过程中分成不变，将标准传感器s与被检测传感器t的状态换算到标准气体状态（即P0、T0、V0）

PsVs/Ts=PtVt/Tt=P0V0/T0 (1)
Vt=(P0V0Tt)/(T0Pt)

体积流量qvt=qv0[(P0Tt)/(T0Pt)] (2)

qvs=qv0[(P0Ts)/(T0Ps)]

所以qvt/qvs= (PsTt)/(PtTs) (3)

又因标准传感器的仪表系数Ks

Ks=Ns/Vs=fs/qvsfs=qvs·Ks

被检测传感器的仪表常数

Kt=Nt/Vt=ft/qvt ft=qvt·Kt

所以

Kt/Ks=(ftqvs)/(fs/qvt)=(Ntqvs)/(Nsqvt) (4)

式中，qv——体积流量
f——传感器输出频率
Ns——统一技术时间间隔内标准传感器输出脉冲数
Nt——统一技术时间间隔内被检传感器输出脉冲数

将式（3）代入式（4）得

Kt/Ks=(NtPsTt)/(NsPtTs)
Kt=[(NtPsTt)/(NsPtTs)] ·Ks=kNKptKs(5)

式中，Kpt——压力温度修正系数 [p]

1 并联传感器检测系统

图3为并联传感器的检测系统，在检测介质为空气的情况下，对于可压缩流体，存在下列关系：

图3 并联标准传感器检测系统

式中，ρt——被检测传感器前流体的密度
qvt——被检测传感的体积流量
qvsi——第i台标准传感器的体积流量
ρsi——第i台标准传感器前流体的密度

对于可压缩流体，存在如下关系

将式（9）代入式（8）

式中，Ki·Ksi——分别为被检测传感器和第i台标准传感的仪表系数

KρiTi——压力温度修正系数

KNSi——同一计数时间间隔内被检测传感器和第i台标准传感器脉冲比

1 标准传感器法装置基本误差的估算及其试验结果

为了提高测量的准确度，我们采用定点使用的标准传感器仪表系数的基本误差，按照JJG643-1994《标准表法流量标准装置检定规程》的规定，对定点使用的标准表的基本误差为：

（1）单次测量极限误差：

Eri=±ta(σki/Ki)·100%(11)

式中，Eri——第i个检定点的档次测量极限相对误差
σki——第i个检定点仪表系数的标准偏差
Ki——第i个检定点的平均仪表系数
ta——置信度为95%时的t分布系数

标准传感器基本误差：

E=±(E2 s+E2 r)1/2 (12)

式中，E——标准传感器的基本误差
Es——检测标准传感器的流量标准装置的准确度
Er——各检测点单次测量极限相对误差的最大值

（2）并联标准传感器的基本误差

式中，Ei——第一台标准传感器的基本误差
qi——第一台标准传感器的使用流量

（3）标准传感器装置的基本误差

式中，E——标准传感器的基本误差
E1——标准传感器不带配套仪表检测时引起的流量附加误差
E2 ——标准传感器和使用条件不同时引起的附加误差

（4）根据上述理论试验结果

①由并联标准涡街流量传感器检测流量计的方案是可行的，由定点检定可达到预期的目的，如流量分配试验汇总表中，各被检测传感器用标准传感器实验结果。

②用标准表并联法扩大量限检定被测传感器，其温度、压力修正系数不超过0.15，对于0.5级的标准表法完全满足要求，并提供理论和实验结果的依据（参阅压力、温度修正系数KPT不确定度试验汇总表第末栏）。

③标准表的检测

用原始流量标准检测装置定点检定标准表，其基本误差均不超过±0.2%，符合标准表法装置要求。

④用低量限、高准确度新的流量量值传递方法，通过理论计算和实验结果，解决大流量检测，得到实验的证明，其途径是可行的，实验结果是吻合的。

（5）用标准涡街流量传感器检定流量计时，标准表的安装位置是随标准表的类型不同而有所差别，解决的方法：

①采用不同类型的标准表，在用原始标准检定时，应作标准表安装位置的试验，并确定安装位置仪表系数的差别。

②标准表在被检表前、后两个位置检测的被检表仪表系数的平均值作为被检表的仪表系数。

③用标准涡街传感器作标准表时，其安装位置应在被检表前（即上游）；用标准涡街流量计作标准表时，其安装位置应在被检表的后边（即下游）。

④试验结果表明无论上游局部阻力件是什么形式，速度式标准表前直管段均采用20DN（DN为直管段内经）为宜。 [p]

（6）为消除标准表的系统误差，标准表的检定应带前后直管段的组合件及二次指示仪表。

（7）标准表与被检表的输出频率信号应同步记录，标准表累积的脉冲数的数据应根据被检表的准确度等级确定。

（8）串联检测时，单次测量的极限相对误差，（Er）max=0.14%，标定标准传感器的装置准确度Es=0.2%则E=(0.22+0.142)1/2=0.244%。

（9）并联检测时测量的极限相对误差的最大值

（Er）max=+0.31%; Es=0.2%

则 E=(0.22+0.32)1/2=0.37%。

注：由于实验数据较多，由于篇幅所限，这里不便将数据一一列出，如需要可来信咨询。

因此，该装置准确度在±0.5%以内，可满足涡街流量传感器的检测要求。

1 用标准传感器法装置检测被检传感器的误差

为便于分析我们做两个假设，其一是并联管路布置相对对称，流量、压力、温度分配均匀；其二是并联的传感器口径相同，仪表系数相等。

上述两条件在设计装置时是可以满足的，也就是说被检测的传感器的仪表数Kt有：

Kt=(1/n)Kpt·Kn·Ks (15)

由此可以看出，典型的并联系统中，有n台标准传感器并联，检测出的传感器仪表系数的相对误差仅由温度修正系数、同一计数时间间隔内被检测传感器和标准传感器脉冲比的系数和标准传感器仪表系数三者相对误差的1/n倍确定。至少被检测传感器的仪表系数相对误差不会低于并联的标准传感器误差大的那台，下面就本装置按单台比较系统分析其误差。

由式（5）Kt=Ks·KN·KPT

(dKt/Kt)=(dKs/Ks)+(dKn/Kn)+(dKPT/KPT)

（1）标准传感器仪表系数的相对误差Es是由装置上选用的范围内，由其基本误差确定，按3的分析为Es=±0.14%。

（2）脉冲比Kn的相对误差En是以标准传感器与被检测传感器中仪表系数较小的一台2000个脉冲数的时间作为同步计数器的控制信号En=±0.05%。

（3）温度压力修正系数KPT的相对误差EPT由KPT=[(Pt+Pa)(ts+273.15)]/[(Ps+Pa)(tt+273.15)] 得EKPT=[d Pt /(Pt+Pa)]+[d Ps (Ps+Pa)]+[d Pt /(tt+173.15)]+[d Ps /(tN+173.15)]

试验中，选用分辨率为0.1℃的温度计和0.2级的U型压力计按表1的流量分配方案，每个口径的被检测的传感器Qmin、0.5Qmax和Qmax三点分别进行了温度温度变化率、压力、压力波动及流通能力测试，然后按作出的每组数据计算出相应的Ekpt来。计算Ekpt时考虑：

① 压力波动ΔP的影响取dP≥ΔP

② 2000个脉冲数对应的时间间隔内温度变化△t的变化影响取dt≥△P

③ 温度压力测量误差的影响取

dP≥0.1,dPt≥2000×9.80665×0.2%=0.4Pa,dPs≥800×9.80665×0.2%=0.16Pa

从测试数据计算结果看EKPt≤0.147≈±0.2%。

装置检测传感器的仪表系数的基本误差Et

Et=(E2s+E2n+E2KPT+δ2)1/2=(0.142+0.052+0.2442)1/2=±0.35%

因此可得出结论，用该装置检测0.5级表可满足要求。(end)