摘要: 在水流量标准装置上刻度气体浮子流量计后,分别在水流量标准装置和气体流量标准装置上研究了其测量误差。实验研究发现,在水装置上检定的气体浮子流量计测量空气流量时测量值大于真实值,其原因为:检定介质的动力粘度大于被测介质的动力粘度。故为了保证浮子流量计的精度等级,在水装置上检定气体浮子流量计时,必须考虑流体粘度的影响,在刻度换算公式中引入粘性系数k。
1 引 言
浮子流量计原理简单,应用面广,适用于中小流量测量。特别是金属管浮子流量计,工作可靠,是过程控制领域重要的流量仪表之一。按照行业标准[1]检定规程[2],液体浮子流量计应在液体流量标准装置上进行检定(因被测介质通常为水,以下简称为水装置),气体浮子流量计应在气体流量标准装置(以下简称为气装置)上进行检定。水装置具有技术成熟、成本低、流量范围宽等优点,众多生产厂家、研究所和高校前期投入了大量的人力、物力进行建设。能否避免气装置的投入,在水装置上检定某个精度范围的气体浮子流量计呢?目前,未见到相关文献对上述问题进行论述,故本文采用实验方法对其进行研究。研究对象为一台口径50mm、精度等级1.5级的气体金属锥管浮子流量计。在水流量标准装置上重新对其进行检定并刻度表盘后,分别对其在水流量标准装置和气体流量标准装置上的测量误差进行了实验研究。①
2 计算公式
2.1 体积流量公式
如图1所示,浮子流量计的检测元件由锥管和沿锥管中心轴上下移动的浮子组成。
作用在浮子上的力主要有三个:压差力F1、浮力F2和重力W,F1和F2构成浮子所受的升力。被测流体自下而上流过浮子流量计时,若浮子所受升力于W时,浮子便稳定在某一高度h。
在图1所示的浮子截面1-1′和2-2′处建立非粘性流体稳定流动时的总流伯努利方程:
2.2 刻度换算公式
在水装置上检定气体浮子流量计时,由于检定介质是水,被测介质是具有压缩性的空气,而表盘以标准状态下的空气流量进行刻度,由式(2)可得浮子流量计的刻度换算公式[3]为:
2.3 误差公式
本文中浮子流量计第i个实验点的误差ri的计算公式[1]为:
3 实验装置
3.1 水装置
实验使用的水装置如图2所示,被测介质为水。该标准装置采用水塔稳压(32. 5m),流量范围连续可调,能够分别使用称重法和标准表法对流量计进行检定,称重法的精度为0. 15%。本实验中,先用称重法对标准表进行检定,使其精度达到0. 3%,然后用标准表法对浮子流量计进行实验研究。
3.2 气装置
实验使用正压法音速喷嘴气体流量标准装置,如图3所示,被测介质为空气。气源由两台标态排量均为198m3/h的空气压缩机提供,之后气体进入两个相并联的储气罐,储气罐容积均为13m3。
储气罐出口处安装稳压阀,以保证下游气体压力稳定在设定值。压缩后的空气经储气罐、稳压阀、进气阀进入实验管段,流过被检流量计后流入滞止容器,然后流过音速喷嘴,每个喷嘴下游皆安装气动阀门,由计算机控制各气动阀门的开关,空气流经喷嘴后由管道排向室外,管道末端装有消音器。该装置上共安装了11个音速喷嘴,其参数如表1所示。根据被检流量计的流量,选择数个音速喷嘴管路并联组合,可以满足被检流量计流量调节的需要。
装置中实验段压力调节范围为0. 1~0. 5MPa,由于空压机能力有限,在较高压力下实验时达不到所需流量,故空压机之后设置了两个储气罐,储气罐的压力最高可达到0. 85MPa。实验前打开空气压缩机,待储气罐压力达到上限值再开始实验,由于实验过程中储气罐压力不断下降,由稳压阀维持实验段压力稳定在某一定值。
4 水装置上的实验研究
4.1 实验方法
第一步,在图2所示的水装置上刻度气体浮子流量计。首先,包括上限值和下限值在内,均匀选择11个标况空气流量点,利用式(3)将这11个流量点的标况空气流量转换为标况水流量;然后,分别测量正、反行程下流量计指针在这11个流量点的旋转角度,对正、反行程角度取平均值后,根据平均值用绘图软件画出表盘,表盘的刻度值即为标况下的空气流量,测量范围为25~250m3/h。
第二步,用标准表法对该流量计进行检定。在图2所示的水装置上,选定五个标况空气流量点,利用式(3)换算后,各流量点标准状态下空气流量和水流量的对应关系如表2所示,每个流量点正、反行程各检定五次,分别计算五个测量值在正、反行程下算术平均值qi,再参照式(3)将标准表的示值流量换算为标准状态下的空气流量qsi,然后根据式(4)计算误差ri。
4.2 实验数据
水装置上的实验数据如表3所示,其中标准流量即标准表的示值流量。
从表3可以看出,在水装置上检定时,气体浮子流量计的误差ri非常小,绝对值的最大值仅为0.37%。
5 气装置上的实验研究
5.1 实验方法
将水装置实验中的浮子流量计安装在图3所示的气装置上,实验开始前先打开空气压缩机。测量每个流量点时,待储气罐中的压力上升到0. 85MPa后,根据流量打开相应音速喷嘴下游的气动阀门,再手动调节气源下游的稳压阀,将实验段中的绝对压力调整到设定值;然后,当滞止容器中的温度、压力均稳定后,令计算机自动采集滞止容器和流量计处的温度、压力信号,然后利用这些数据将音速喷嘴处的空气流量转换为流量计处标准状态下的空气流量qv1,同时记录被检流量计的示值流量qi;最后,将qv1的平均值作为校准装置测定流量的算术平均值qsi,计算各流量点的误差ri。
5.2 实验数据
将实验段中各个流量点的绝对压力调整到0.25MPa,如前所述的方法开始测量,每个流量点重复测量三次,单次测量时间为29 s,取平均值后,实验数据如表4所示。
5.3 实验数据分析
气装置上的检定误差大于水装置上的检定误差,分析其原因为:刻度该流量计的介质水的动力粘度大于被测介质空气的动力粘度,从而导致表盘上空气流量的刻度值偏大。
粘度是流体的一种属性,不同流体的粘度数值不同。对于一定形状的浮子,当被测介质的粘度发生变化时,同密度变化一样,将对流量计的测量产生影响,导致测量误差[3]。
在浮子流量计流量公式(2)的推导中,采用的是非粘性流体的伯努利方程,并没有考虑粘性的影响,由式(2)所得的刻度换算公式(3)自然也未考虑流体粘度的影响。而流量计中流过的实际流体为粘性流体,稳定流动时,截面1-1′和2-2′上的总流伯努利方程为:
流体的动力粘度系数越大,能量损失hw越多,则k值越大。水的动力粘度是1.01×10-3,空气的动力粘度是1.783×10-5,水的动力粘度是空气的动力粘度的57倍左右。令k0为水的粘性系数,k1为空气的粘性系数,则k0/k1>1。考虑粘度影响后,体积流量公式变为:
5.4 二次实验验证
利用表5中的数据重新在水装置上刻度气体浮子流量计,画出表盘后,在0. 25MPa压力下对其进行二次检定,实验数据如表6所示。
从表6可以看出,修正后气体浮子流量计的精度大大提高,除了第一个流量点外,其他流量点的测量误差都小于1. 5%。在实际使用时,常用流量点一般为流量计满量程输出的70% ~80%,故引入粘性系数k后,可满足测量精度的要求。
6 结 论
在水装置上检定气体浮子流量计时,由于水与气体的动力粘度差别很大,忽略流体粘度的影响时,引入了较大的误差。为了保证浮子流量计的精度等级,气体浮子流量计必须在气装置上检定。若由于客观条件的限制只能在水装置上检定气体浮子流量计时,为了保证流量计的精度等级,应首先通过解析、实验等手段确定不同介质的粘性系数k,再用式(7)进行刻度换算。
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