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气体孔板流量计实现正压法标定系统的设计

来源:www.jsowyb.com 发布时间:2013-06-01 09:09:57

   在我国,常见的非标准差压类流量计有多孔孔板流量计、V型锥、楔形、插入式双文丘利、巴类等,流量仪表的生产厂家需要对这些仪表进行实流标定,必要时还要为特殊工业现场配置的流量仪表进行工业现场模拟流量实验以及风洞实验。目前国内气体流量标准装置基本采用的是钟罩式气体流量标准装置和音速喷嘴(或称PVTt法)气体流量标准装置。这两种方式都具有检测精度高、性能可靠等一些优点,但也存在标定流量的范围比较窄、不能实现工业现场模拟流量实验以及风洞实验的功能。天津潤泰公司在我国流量专家毛新业老师的指导下,与天津大学合作共同设计开发了用文丘利作为标准表的正压法气体流量标定系统。该系统于2011年5月建成,实现了对流量仪表标定、工业现场流量模拟实验以及风洞实验的目标。

    1 系统设计构想

    为了实现流量仪表标定、工业现场模拟流量实验以及风洞实验的目的,系统内部被测管路必须具有一定的正压力,即采用正压法才能实现。正压法采用风机(或空气压缩机)作为动力源,可以不必过多考虑干燥、净化等影响。正压法容易实现较宽的流量测量范围,具有在不同压力点下的检测、实验能力。

    用文丘利作为标准表具有以下优点:

    1)文丘利是标准节流装置,有国际标准和国家标准作为支撑,有大量的数据可以直接引用。

    2)文丘利由于是钢制金属结构,介质温度、压力、湿度及使用时间对文丘利的流出系数不会产生影响,比采用涡轮或涡街作为标准表更稳定可靠。

    3)文丘利通过权威机构的实流检定,可以达到较高的精度等级,完全可以满足作为标准表的要求。

    在主管路加装风洞及测试功能,这个构想可以实现一个系统多种用途,可以大量节约单独建设风洞的费用,减少占地面积。

    增加工业现场流量模拟实验以及风洞实验的功能。在工业现场中经常会遇到由于现场工艺直管段很短,还有一些测量管路是异形管路,给准确测量流量造成很多困难,甚至无法进行测量。这个问题是困扰流量仪表用户和流量仪表生产企业的老大难问题。在正压法气体流量标定系统上按比例大小模拟现场工艺测量管道,在适当的位置加装适用的仪表进行模拟试验,对流量测量进行定量的分析,可以找到理想的解决方案,是一条简便、快捷、准确的方法。

    2 系统的结构设计

    系统组成如图1所示,由风机、变频系统、风洞、文丘利(标准表)、检定管路、压力变送器、温度变送器、差压变送器及数据采集控制系统组成。

 2.1 气源部分

    动力由一台风机提供,风机流量:7500m3/h(目前设计由一台风机提供动力,将来流量需要增加时,可以并联一台风机来实现)。采用变频电机及变频器,可以实现风量无极调整。

    2.2 风洞部分

    由扩张段、整流段、收缩段和效验段组成。设计风速范围0~25m/s,为了保证效验段内流速为直均流,整流段采用蜂窝状整流栅加二层过滤结构,配备标准皮托管和微压计作为标准器。

    2.3 文丘利部分

    由三台文丘利作为标准表,文丘利管径分别为DN300、DN200、DN100。DN300文丘利设计时要考虑被校表的管径范围为DN300、DN250;DN200文丘利设计时要考虑被校表的管径范围为DN200、DN150、DN125;DN100文丘利设计时要考虑被校表的管径范围为DN100、DN80、DN65、DN50。为提高气体流量标定系统精度,文丘利必须由权威检测机构进行实流标定。

    2.4 检定管路部分

    主检定管路并联三条管线,分别为DN300管路、DN200管路、DN100管路,DN300管路留有DN250管路接口;DN200管路留有DN150、DN125管路接口;DN100管路留有DN80、DN65、DN50管路接口,即标定管径范围为DN300~DN50。

    2.5 变送器仪表部分

    差压变送器:标准表及被校表都选用罗斯蒙特高精度智能差压变送器,精度等级0.075%。

    压力变送器:标准表及被校表都选用横河EJA压力变送器,精度等级0.075%。

    温度变送器:标准表及被校表都选用国产JWSK系列温度变送器,精度等级0.2%。

    2.6 测控部分

    被校表由人工安装,变频器控制、参数的输入由操作人员在计算机上完成。数据采集、信号处理、数据处理、打印、存储由计算机自动完成。全部检定过程在计算机屏幕上人机对话操作,方便快捷。

    3 系统工作原理

    3.1 风洞检定

    风洞作为检定被校传感器流速的标准设备,具有在风洞测试段某一截面各点等速的特性,利用这个特性使标准皮托管与被校传感器在同一截面,由标准皮托管和微压计给出流速和差压,与被校传感器比较,确定被检表的技术指标。

    本系统以工控机为中心,通过485协议与变频器通讯,控制其输出频率调节风机流量,使风洞测试段至相应流速点,尔后进行检定;多次测量得到被校表流量系数、重复性、线性度。

    皮托管标定公式

    式中,V—风速,单位m/s;P-皮托管测得的差压值,Pa;ρ-流体密度,kg/m3。

    3.2 流量检定     

    文丘利作为标准表的正压法气体流量标定系统是利用流体力学连续性原理,将标准表(文丘利)和被检表串联,由标准表和相关参数测量仪表给出标准流量,与被检表输出的流量比较,确定被检表的技术指标涡街流量计

    本系统以工控机为中心,通过485协议与变频器通讯,控制其输出频率调节风机流量至相应流量点,尔后进行检定;通过控制柜与现场通讯,实现数据采集和实时监控。在被检流量计检定规程规定的一次测量时间内,计算机同时采集被检表和标准表输出的流量信号,压力、温度、差压、湿度信号,换算出被校表处质量流量,从而计算出被校表流出系数,期间利用湿度进行密度修正;多次测量得到被校表重复性、线性度、基本误差等性能指标。

    流量检定系统控制原理简图如图2所示。

    文丘利作为标准表测量流量采用公式为:

    质量流量公式:

    式中,qm——质量流量,kg/s;Q——体积流量,m3/s;C——流出系数;d——工作条件下文丘利喉部内径,m;β——直径比;ε——可膨胀性系数;ΔP-差压,Pa;ρ-流体密度,kg/m3。

    3.3 检定数据

    以DN100检定管路为例,检定某一多孔孔板流量计数据。

 4 装置的检定规程

    该装置所配标准文丘利均符合国标GB/T2624-2006的技术规定,文丘利流量计算也严格按上述标准进行,文丘利检定依据JJG640-94《差压式流量计检定规程》送具有权威资质的流量检测单位进行实流检定。该气体流量标定系统的检定按JJG643-2003《标准表法流量标准装置检定规程》进行。

    以DN100标准表(文丘利)检定为例,由中国计量科学研究院检定。

  该系统目前已投入使用,风洞检测、流量检测效果良好,具备了用于产品开发、实验、检定的功能,达到了高效率、高精度、大范围、多用途检测的目的,为提高我国计量检测能力提供一个新的方法。

关键词:涡街流量计 电磁流量计 涡轮流量计

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