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质量流量计的在线检定

       科里奥利质量流量计(以下简称质量流量计)相对于传统的流量计,具有精度高、运行可靠、维护量少及适用介质广等特点。具有这些优越的性能,使得其在工业生产和交接计量等领域得到了广泛的应用。另外,在物料计量方面,我国采用的是以重量为基本量的计量体系。质量流量计进入市场,对国内的用户来说,具有一种天然的亲和力,虽然质量流量计处在一个较高的价位之上,但其在交接计量方面的应用仍然在不断增加。

      按照我国的计量管理规定,用于交接计量的仪表一般为强检计量器具,按周期检定、保证其准确度显然是质量流量计应用中的一个主要内容。再者,在目前的市场经济形式下,各企业都将产品和物料的准确计量作为企业生产和经营最重要的手段之一,通过计量,可以实现挖潜增效、减少效益流失的管理目标。因此,如何对质量流量计进行检定、保证其精度的问题就摆到了大家的面前。 

      我们知道,质量流量计即可以在实验室(离线)检定,也可以采用在线检定的方式。对于应用中的质量流量计来说,在线检定具有检定条件同应用条件完全一致的特点,因而是保证质量流量计准确度最有效的方法。

质量流量计的检定

      质量流量计一般只用于液体流量的测量,针对它的检定通常都在实验室(流量标准装置)及其特定条件下完成的,这就是我们通常所称的离线检定。我们知道,质量流量计的检定目的是确定仪表实际使用时的计量性能。实验室检定存在以下问题:①检定介质同实际测量的介质不一样,其物性参数也就不同;②检定时的工况如温度、压力等同流量计的应用工况不一致;③流量计的安装型式同现场也存在很大差异。

      上述这些说明,在实验室对质量流量计所作的检定或性能评价,同流量计实际使用的性能是有差别的,这跟准确计量的目标相去甚远。例如,当质量流量计用在贸易交接计量上时,这种差别很可能就是买卖双方纠纷的根源,必须加以消除。

      在目前的技术条件下,将流量计的检定条件修正到应用条件是很难作到的,典型的如粘度修正就没有一个修正的办法,更谈不上一些不可测因素(如安装、流态等)的修正。因此,解决这一问题的最好方法是对质量流量计进行在线检定。
 

      质量流量计的在线检定是一种实液检定,和实验室检定相比,它具有许多特殊性或要求,归纳起来主要有以下几点:

⑴、要有一个固定的或可移动的检定质量流量计的流量标准装置,除装置的准确度满足要求外,装置的工作温度范围、耐压等级及介质兼容性等也要符合在线检定要求,如果是可移动的流量标准,还要求装置轻便灵活;

⑵、检定过程中,流体必须处于密闭状态,以保证检定工况不发生变化,同时也保证检定现场的安全;

⑶、检定过程中不允许中断流体;

⑷、被检流量计如果采用移动的标准装置检定,流量计所处的现场要有相应的接口、阀门及配套的回收清扫设施、场地、电源等。

      以上几点给所使用的检定标准或方法提出了限制条件,说明并不是所有的检定方法都可以应用于在线检定。

      质量流量计的检定是严格按标准进行的,现行的主要标准有:①ISO10790:1994封闭管道中流体流量测量——科里奥利质量流量计;②JJG897-1995中华人民共和国国家计量检定规程:质量流量计;③API标准草案:2000单相碳氢化合物流体流量测量——科里奥利质量流量计。根据这些标准,质量流量计可采用的检定方法有:称重法、容积加密度计法、标准体积管加密度计法、标准表法等。显然,称重法和容积加密度计法不适合质量流量计的在线检定,因为这两种方法即难保证不中断流体,又不能完成密封状态下的检定。纯粹的标准表法存在准确度难于满足要求和标准的溯源问题,因此,目前条件下也不是一种质量流量计的在线检定方法。除此之外,就只有标准体积管加密度计法了。关于这一点,也可参阅ISO10790的A.2.5和API标准草案的9.1.7.2。

质量流量计的在线检定方法

      由于质量流量计对压力的波动较敏感,因此,检定质量流量计时,要求在检定过程中具有较小的压力脉动。关于流体压力脉动对质量流量计的测量影响在ISO10790的8.2.3、8.2.4,在API标准草案的8.2.2.3、8.2.4(c)等条款有详尽的描述。通过前面的说明可知,质量流量计在线检定所使用的流量标准为标准体积管。在两种主要的标准体积管中,球形体积管体积庞大、结构复杂、压损高、造成的流体压力波动大、价格高等致命弱点使其很难满足质量流量计检定的需要。反观活塞式体积管,它的轻小、简单结构、低造价以及快速流量计检定、易于移动等许多优点,无疑是质量流量计在线实液标定的最佳选择。

1、了解活塞式体积管 

      活塞式体积管与传统的管道式体积管不同,它不是利用其足够大的标准体积来保证万分之一的脉冲计量精度,而是采用活塞式结构、双时钟插入法、精密光电检测等先进技术的一个全新实现。这种精密、体积小巧的标准体积管比传统的体积管有着更多、更重要的优点:流量计的检定时间短、脉动小、对流体的影响小、压损小、体积小等。

      活塞式体积管由一个光滑空心的柱体流量管、一个带有提升阀的活塞、一对光电开关和活塞提升机构组成。活塞与磨光的流量管之间有一个磨擦系数很低的双层密封圈,计量活塞组合在任何时候都与流量管壁充分接触。当体积管运行时,活塞提升机构将其拉到体积管的上游端,在活塞的整个提升过程中,活塞上的提升阀总是处于开启状态。提升结束后,提升机构与活塞脱开,在提升阀弹簧、流体作用力、穿过提升阀的流体的文丘里效应的共同作用下,提升阀平缓地快速关闭,进而进入标定过程。

      体积管上的两个光电检测开关记录下活塞经过标准容积段的开始时刻和停止时刻及经历的时间,按照双时钟插入法和相关的标准,将各种测量的参数和数据进行计算,以完成流量计的检定过程。

      在现有的活塞式体积管中,美国加利布朗公司的S系列体积管是最优秀的产品,它采用的自由活塞结构、链条拖动活塞返回系统等独特设计,将活塞式体积管做到了极其简单和免维护。该系列体积管的自由和被动的活塞运动方式(不需要动力助推)将体积管的压降降到了最低(如S25型体积管在介质为水,运行在最大流量567m3/h时的压降仅为52kPa),标定过程中产生的压力波动也极小,量程比非常大(典型1200:1),是各种流量计检定的首选。

2、活塞式体积管配在线密度计的检定方法

      活塞式体积管配在线密度计检定质量流量计的检定方法是一种间接的质量检定方法,“API标准草案”称为推导式质量检定,具体配置见上图。

      采用该配置的标定系统是在线检定质量流量计的基本方案。这种方法在CMF标准文本中有较多表述,它的优点是简单。但由于质量流量计对流体的脉动较为敏感,而活塞式体积管检定运行时对流体总有一定的扰动影响,其影响的程度随流量的增大而增大,因此,将活塞式体积管用于检质量流量计时,它的最大流量值一般均小于检定非质量流量计时的最大流量值。有些厂家的产品可能差别会很大,这就要求所使用的活塞式体积管要用一个较大规格的产品。由于没有相对应的标准条款或试验依据,究竟什么形式的扰动和量化值对质量流量计产生的影响不可忽略,目前还不得而知,当然对活塞式体积管的要求就不能具体化。现在应用该种配置的在线质量流量计检定系统只是凭体积管厂家自己的试验或经验确定,其中包含有许多不确定性,是很不科学的。

3、活塞式体积管加涡轮流量计和在线密度计的检定方法

      正是由于前述方案的问题,我们在此引入一种采用“动态传递法”在线检定质量流量计的标准装置方案。该方案中,采用动态特性和重复精度很高的涡轮流量计作为标准表,在实际使用中,标准表可以是一台,也可以是多台并联的流量计组。在对质量流量计的某流量点进行检定时,体积管先对涡轮流量计进行检定,然后在工况条件不变的情况下,用涡轮流量计对质量流量计进行检定。由于涡轮流量计和质量流量计此时处于一种相同的稳定运行状态,相互之间不产生影响或干扰,因此可以反映出质量流量计的真实性能。在用涡轮流量计对质量流量计进行检定时,活塞式体积管处于停止运行状态,它对流体的流态不构成任何影响。

      大家知道,当一台流量计的流量范围减小时,它的线性度或基本误差也会跟着减小,其准确度将有所提高。而当流量计的流量范围变成一个流量点时,流量计的精度或准确度就等于该流量点下流量计的重复性。由于涡轮流量计在每一个运行流量点即用于检定质量流量计时,都先用体积管对其进行检定,并在此条件下使用该次检定的参数进行计量,因此可以认为此时的涡轮流量计具有与其重复性等量的精度,也可以说是将体积管的精度传递给了涡轮流量计,这就是动态传递法的原理。按此种方式运行的标准表的准确度等于其重复性和体积管准确度的均方值,显然,这一准确度值是远高于流量计按普通方式运行的准确度指标的。例如,如果涡轮流量计(标准表)的重复性为0.05%,标准体积管的准确度为±0.04%,则采用动态传递法后的涡轮流量计的准确度为=±0.064%。在这一流量标准系统中,可以认为体积管是一个用于溯源的标准或保证标准,而标准流量计才是真正的流量工作标准。

      在对质量流量计进行检定时,采用的仍然是推导式质量方式,也叫间接质量标定方式,即标准量的计算是由标准表计得的体积量同在线密度计测得的密度值相乘所得,当然这一计算过程是实时的。

采用动态传递法的在线质量流量计流量检定标准系统见下图。

      实现上,每一次检定可以让检定过程足够长,以消除各种不确定因素的影响,从而提高检定精度。同其他的质量流量计在线检定系统相比,这种方法具有以下突出优点:

⑴、在对质量流量计进行检定时,流量工作标准部分具有极佳的稳定性,不会对质量流量计的运行构成影响,保证质量流量计检定时工作在真正的实际工况下,从而可以将质量流量计在本应用条件下的本质特性标定出来;

⑵、质量流量计每一次检定的时间可以任意的长,这样能够消除大部分偶然因素的影响,可以提供检定精度;

⑶、流量工作标准的动态特性好,即使在质量流量计的检定过程中流量有一定的波动,标准流量计也能准确地反映出来。由于流量的波动在在线检定时是难免的,相对于其他检定方法,本方案具有更适合在线检定的优势;

⑷、只要标准流量计的重复性好,就可以保证其准确度高,以达到满足质量流量计检定的需要。

需要解决的问题和建议

      目前,已有大量的质量流量计应用于重要的计量场所,这些地方往往要求仪表有很高的准确度。为了满足实际的需要,大多数情况下,用户要求或已经采用了在线检定。无论是国内还是国外,关于质量流量计在线检定的标准或标准条款还很不完善,造成应用上的困难。归纳起来,主要有以下几点:

⑴、流体的脉动对质量流量计的影响究竟是一个什么样的量化结果,一定量的脉动需要多长时间质量流量计才能再次处于稳定的正常工作状态。相应地,检定质量流量计的流量工作标准应达到什么样的对应指标才是合格的?

⑵、质量流量计在线检定时,其流量点及流量范围的选取是按现行的标准条款还是按实际的使用流量范围考虑,标准应给出明确的规定。关于这一点,在贸易交接计量方面非常突出,买卖双方均无法说服对方,制造出了仲裁的真空地带。另外,按现行的标准条款执行时,现场供液设备和工艺条件不能满足或不允许是一大需要考虑的因素;

⑶、质量流量计在线检定应采用什么样的流量标准装置,现行的标准文本不是很明确。标准只是对质量流量计可行的标准装置方案给予列出,没有具体到在线检定方面。

      我们觉得,在加入WTO后,国内的标准制订工作应该加强。除了同国际接轨外,还应力争确立自己的领先地位,不能重蹈DVD标准的覆辙。针对以上的内容,我们建议管理部门委托国内的研究机构、制造厂家和本行业的相关企业来开展基础的测试和研究,利用社会资源共同提高行业的标准水平。具体到质量流量计的在线检定方面,应该采用和发展像“动态传递法”这样的新的可行方法。


 

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