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气体流量现场校准过程中常见问题探讨
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1 问题的提出
在气体流量测量中，影响气体流量测量结果准确性的因素较多，归纳起来主要有以下几个方面：①流量计自身的测量准确度；②配套数据采集及显示系统的准确度；③流量测量现场的环境影响（包括气体介质密度、温度、流量计进出口压力、气源波动度、管路系统密闭性等）；④流量计安装是否符合要求。将流量计单独拆下送实验室检定的做法，只能确保流量计自身的准确性，根本无法保证实际使用中流量测量结果准确可靠。因此，气体流量现场校准逐步成为一种势在必行的发展趋势。
目前，国内很多计量站（尤其是与科研生产紧密相关的二级计量站）在进行气体流量现场校准时，普遍会遇到标准器现场安装不便、现场校准不确定因素较多、准确度难以提高等问题。本文以现场校准最常见的音速喷嘴气体质量流量校准方法为例，对气体流量现场校准准确度的问题进行探讨。
2 音速喷嘴法气体质量流量现场校准原理
音速喷嘴法气体质量流量标准装置以其携带方便、安装快捷、标准器准确度高等特点被广泛应用于气体流量现场校准中。现场校准原理如图1所示，将标准装置串联于被测系统下游，利用音速喷嘴校准原理———当喷嘴出口压力与入口滞止压力之比小于等于临界压力比r*时（r*值参照相关技术文件得到，空气为0.528），流经音速喷嘴喉部的气体流速达到恒定，此时气体质量流量仅和流过喷嘴入口处的气体介质密度成正比。通过采集喷嘴入口压力p、气体温度T、湿度φ，计算出流过喷嘴的标准质量流量Q标，与此时被测系统显示流量Q被比较，得出被测系统示值误差ΔQ=Q被－Q标。
标准质量流量计算公式为
3.1 气源波动度
3.1.1 影响原因
现场校准时的气源大多模拟产品实际使用工况，气源波动度一般较大（通常要大于0.5%），不可能像校准实验室一样稳定（通常不大于0.05%）。因此，在进行流量现场校准时普遍存在气源波动大的问题。由流量连续性原理，流量传递需要时间，若气源波动度大必然会导致同一时刻流经被校流量计的流量和流经标准器的流量不等（两者之差计为Δq），此时若采用常规的同步瞬时读数方法读取被检流量和标准流量，最终计算得到的被测系统示值误差中就会多出一部分因气源波动而引入的系统误差Δq，并且波动幅度越大，所引入的Δq就可能越大。以气源波动度0.5%为例，其引入的系统误差所占百分比也可能达到0.5%。因此，气源波动度较大会严重降低现场校准的准确性。
3.1.2 解决方法
气源波动度对流量校准结果的影响，可归结于流量传递时间上的延迟，造成流经被校流量计的流量和流经标准器的流量不等，从而引入了一个系统误差。因此，要降低气源波动度对流量校准结果的影响，可以从传递时间延迟和减少系统误差所占比例两方面入手。具体解决办法：①测量被校流量计和音速喷嘴之间的实际距离以及气体流速，计算出流量传递所需时间Δt，在采集时将标准信号采集起止时间延迟Δt，尽可能确保标准和被校器之间所测流量的同步性。②增加每一校准点的流量累加时间T，通过计算这段时间内被校累积流量和标准累积流量比较，得到被测系统示值误差。如图2所示，由于增加了累积时间T，增大了累积流量值Q累，从而降低了系统误差所占的百分比Δq/Q累，达到了提高校准准确性的目的。
在气体流量测量中，影响气体流量测量结果准确性的因素较多，归纳起来主要有以下几个方面：①流量计自身的测量准确度；②配套数据采集及显示系统的准确度；③流量测量现场的环境影响（包括气体介质密度、温度、流量计进出口压力、气源波动度、管路系统密闭性等）；④流量计安装是否符合要求。将流量计单独拆下送实验室检定的做法，只能确保流量计自身的准确性，根本无法保证实际使用中流量测量结果准确可靠。因此，气体流量现场校准逐步成为一种势在必行的发展趋势。
目前，国内很多计量站（尤其是与科研生产紧密相关的二级计量站）在进行气体流量现场校准时，普遍会遇到标准器现场安装不便、现场校准不确定因素较多、准确度难以提高等问题。本文以现场校准最常见的音速喷嘴气体质量流量校准方法为例，对气体流量现场校准准确度的问题进行探讨。
2 音速喷嘴法气体质量流量现场校准原理
音速喷嘴法气体质量流量标准装置以其携带方便、安装快捷、标准器准确度高等特点被广泛应用于气体流量现场校准中。现场校准原理如图1所示，将标准装置串联于被测系统下游，利用音速喷嘴校准原理———当喷嘴出口压力与入口滞止压力之比小于等于临界压力比r*时（r*值参照相关技术文件得到，空气为0.528），流经音速喷嘴喉部的气体流速达到恒定，此时气体质量流量仅和流过喷嘴入口处的气体介质密度成正比。通过采集喷嘴入口压力p、气体温度T、湿度φ，计算出流过喷嘴的标准质量流量Q标，与此时被测系统显示流量Q被比较，得出被测系统示值误差ΔQ=Q被－Q标。
标准质量流量计算公式为
图1 气体流量现场校准原理图
3.1 气源波动度
3.1.1 影响原因
现场校准时的气源大多模拟产品实际使用工况，气源波动度一般较大（通常要大于0.5%），不可能像校准实验室一样稳定（通常不大于0.05%）。因此，在进行流量现场校准时普遍存在气源波动大的问题。由流量连续性原理，流量传递需要时间，若气源波动度大必然会导致同一时刻流经被校流量计的流量和流经标准器的流量不等（两者之差计为Δq），此时若采用常规的同步瞬时读数方法读取被检流量和标准流量，最终计算得到的被测系统示值误差中就会多出一部分因气源波动而引入的系统误差Δq，并且波动幅度越大，所引入的Δq就可能越大。以气源波动度0.5%为例，其引入的系统误差所占百分比也可能达到0.5%。因此，气源波动度较大会严重降低现场校准的准确性。
3.1.2 解决方法
气源波动度对流量校准结果的影响，可归结于流量传递时间上的延迟，造成流经被校流量计的流量和流经标准器的流量不等，从而引入了一个系统误差。因此，要降低气源波动度对流量校准结果的影响，可以从传递时间延迟和减少系统误差所占比例两方面入手。具体解决办法：①测量被校流量计和音速喷嘴之间的实际距离以及气体流速，计算出流量传递所需时间Δt，在采集时将标准信号采集起止时间延迟Δt，尽可能确保标准和被校器之间所测流量的同步性。②增加每一校准点的流量累加时间T，通过计算这段时间内被校累积流量和标准累积流量比较，得到被测系统示值误差。如图2所示，由于增加了累积时间T，增大了累积流量值Q累，从而降低了系统误差所占的百分比Δq/Q累，达到了提高校准准确性的目的。
图2 流量积算示意图 [p]
3.2 气体湿度
在很多校准场合由于采用的是未经除湿的气体，为了提高校准效率，通常会采用两种做法：①不考虑湿度影响，不进行湿度测量及修正；②不进行气体湿度的测量，凭经验估计一个湿度值代入公式计算标准流量。为了验证两种做法的可行性，我们分别对气体湿度对流量测量结果的影响量以及气体湿度变化量对流量测量结果的影响量进行分析。
3.2.1 气体湿度对流量测量结果的影响
气体流量湿度修正系数kφ计算公式为
式中：p为音速喷嘴前滞止绝对压力，kPa；pH为音速喷嘴入口前气体饱和水蒸汽压力，数据见表1，kPa；φ为音速喷嘴入口前相对湿度。
以气体湿度60%，p为200kPa为例，分别计算0，20，40，60℃时的修正系数kφ，结果如表1所示。
表1 不同温度时的饱和水蒸气压和温度修正系数 
由表1可以看出，当温度超过20℃时湿度对流量测量结果的影响量超过了0.1%，对测量结果不确定度的贡献量较大，并且可以看出随着温度的增加影响量显著上升。因此，可以认为第一种方法即使是在常温下使用也是非常不准确的，严重影响流量校准的准确性。
3.2.2 气体湿度变化量对流量测量结果的影响
对公式（2）求导，得湿度修正系数随湿度的变化情况为
假设p为200kPa，经验估计气体湿度为60%，代入公式，得出在不同温度下的dkφ/dφ值如表3。
表2 不同温度时的湿度修正系数随湿度的变化量 
通过表3可以估算出：湿度每变化10%，修正系数变化0.011%，0.044%，0.14%，…。因此，在温度超过60℃时，若湿度估计误差超过10%（湿度估计误差大于10%是很正常的），估计误差给流量测量结果造成的影响量超过0.24%，对测量结果不确定度的贡献量较大，不能忽略。因此，我们认为仅当气体湿度相对干燥，温度为常温或低温情况下，第二种做法才有可能对流量校准结果不造成较大影响。综上所述，在气体流量现场校准中，应尽可能避免上述两种做法，湿度的测量和修正一般不可省略。
参考文献
［1］JJG620－1994临界流流量计检定规程［S］．
［2］GB/T2624－1993用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量［S］．
［3］JJG（航空）079－1998环境控制系统试验台测量设备检定规程［S］．
［4］童景山．流体的热物理性质［M］．北京：中国石化出版社，1996.(end)
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