分体式标准孔板流量计校准方法探究_康勇.pdf

收稿日期:2023 04 10第一作者:康勇(1982)，男，汉族，陕西西安人，硕士研究生，高级工程师，研究方向为流量计量。分体式标准孔板流量计校准方法探究康勇，丁凌，赵进涛，段飞飞(陕西省计量科学研究院 流量计量研究所，陕西 西安 710100)摘要:分体式标准孔板流量计在流量计量领域应用广泛，其在溯源时通常参考 JJG 640 2016差压式流量计 进行检定校准，此规程中规定的溯源方法有几何检测法、系数检测法和示值误差检测法，其中几何检测法主要针对差压式流量计中标准孔板本身的几何参数;系数检测法主要的测定。分体式标准孔板流量计由一次装置和二次装置以相互独立的形式组成，故现行的三种检测方法均不能完全适用于分体式标准孔板流量计的检定或校准。该文在日常工作实践与分体式标准孔板流量计的特点基础上，进行了适用于分体式标准孔板流量计的校准方法研究，形成以单项校准与成套校准相结合校准方法，该校准方法更符合分体式标准孔板流量计的使用与结构特点，保障分体式标准孔板流量计的准确溯源。关键词:分体式流量计;标准孔板;校准方法;单项校准;成套校准中图分类号:TB937文章编号:1000 0682(2023)04 0110 05文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 04 021Exploration of calibration method for split standard orifice flowmeterKANG Yong，DING Ling，ZHAO Jintao，DUAN Feifei(Shaanxi Institute of Metrology Science，Shaanxi Xian 710100，China)Abstract:The split type standard orifice flowmeter is widely used in the field of flow measurementWhen conducting its metrological traceability，it is usually calibrated with reference to JJG 640 2016Differential Pressure Flowmeter The tracing methods specified in this regulation include geometric de-tection method，coefficient detection method，and indication error detection method，among which the ge-ometric detection method mainly targets the geometric parameters of the standard orifice plate itself in dif-ferential pressure flow meters The coefficient detection method mainly targets the throttling device of dif-ferential pressure flow meters The indication error detection method is mainly aimed at measuring the in-dication error of integrated differential pressure flow meters The split type standard orifice flowmeter con-sists of a primary device and a secondary device in an independent form，so the current three detectionmethods cannot be fully applicable to the verification or calibration of the split type standard orificeflowmeter On the basis of daily work practice and the characteristics of split standard orifice flow meters，this article conducts research on calibration methods suitable for split standard orifice flow meters，form-ing a calibration method that combines single calibration and complete calibration This calibration meth-od is more in line with the use and structural characteristics of split standard orifice flow meters，ensuringaccurate traceability of split standard orifice flow metersKeywords:split flow meter;standard orifice plate;calibration method;single calibration;completecalibration0引言分体式标准孔板流量计由一次装置和二次装置两部分组成，其中一次装置由标准孔板、取压装置和前后测量管以相互独立的形式组成，二次装置由差压变送器、压力变送器、温度传感器(或温度变送器)和流量积算单元以相互独立的形式组成。其测量原理为:以标准孔板安装在充满流体的管线中为依据，装入标准孔板后，流体流过孔板，在孔板的上011工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期游侧和下游侧之间产生一个静压差，利用该压差与流量的关系，可以确定管道流体的流量(质量流量或体积流量)。分体式标准孔板流量计以其优越的计量性能，在能源、化工等领域得到了广泛的应用，其组成如图 1 所示。图 1分体式标准孔板流量计组成示意图分体式标准孔板流量计结构简单、牢固、性能稳定可靠、使用期限长、价格低廉，应用范围特别广泛，在封闭管道的流量测量中适用于各种场景。如，在流体方面:适用于单相、多相、洁净、脏污或粘性流体等;工作状态方面:适用于常压、高压、真空、常温、高温、低温等工况环境等;管径方面:适用于从几 mm到几 m 的管道;流动条件方面:适用于亚音速、音速、脉动流等流体流动状态。其在各工业测量现场的用量约占流量计总用量的 1/4 1/3。分体式标准孔板流量计如此大的应用体量，使其校准的需求量非常巨大，其检测数据的要求越来越高。目前国内对分体式标准孔板流量计的检定或校准工作一直参考 JJG 640 2016差压式流量计开展，其提供的三种检测方法，即几何检测法、系数检测法和示值误差检测法，其针对的测量对象各自不同:几何检测法主要针对差压式流量计中标准孔板本身的几何参数;系数检测法主要针对差压式流量计的节流装置，即前述的一次装置;示值误差检测法主要针对一体式差压流量计进行流量计示值误差的测定。而分体式标准孔板流量计由一次装置(由标准孔板、取压装置和前后测量管组成)和二次装置以相互独立的形式组成，与 JJG 640 规程所述三种检测方法适用对象并不完全相符，故该文针对分体式标准孔板流量计的结构特点，探究了适用于分体式标准孔板流量计的校准方法，该方法将不仅关注分体式标准孔板流量计各组成部分的检定校准，还关注各部分组成整套流量计后的整体校准，更符合分体式流量计的结构特点和校准操作。1校准准备工作在分体式标准孔板流量计的校准方法探究中，结合工作现场的实际情况，分体式标准孔板流量计的校准工作分三步进行。第一步，标准孔板检定/校准及安装确认;第二步，配套二次装置各组成单元的单项校准;第三步，成套校准。在校准前需要对分体式标准孔板流量计的技术要求、校准环境及标准设备探讨说明。1 1技术要求分体式差压流量计中，标准孔板应有设计计算书、首检证书(或测试报告)、安装使用说明书等技术文件，周期检定/校准的流量计还应有前次检测/校准的检测报告/校准证书;所配流量积算单元应有首检证书(或测试报告)、参数设置清单、使用说明书等技术文件，周期检定/校准的流量计还应有前次检测/校准的检测报告/校准证书;所配压力变送器、差压变送器、温度变送器应有首检证书(或测试报告)、使用说明书等技术文件，周期检定/校准的流量计还应有前次校准的校准证书。1 2校准条件1 2 1环境条件温度:(5 40);大气压力:(86 106)kPa;相对湿度:(45 75)%H。1 2 2标准孔板标准孔板有检定证书(几何检定、流出系数检定/校准)且在 JJG640 2016 中 7 5 规定的检定周期内或具备现场进行几何检定的条件。1 2 3标准孔板的安装前后直管段符合 GB/T26242 2006 中62 规定的最短要求;管道圆度与圆柱度符合 GB/T2624 2 2006 中 6 4 规定的要求;一次装置和夹持环的位置符合 GB/T2624 2 2006 中 6 5 规定的要求;差压取压口符合 GB/T2624 2 2006 中 5 2 规定的要求;管道内径、直径比、雷诺数的范围及管道粗糙度符合 GB/T2624 2 2006 中 5 3 1 规定的使用限制要求，可压缩流体还应 P2/P10 75。若测量介质为天然气，标准孔板的安装应满足GB/T 21446 2008用标准孔板流量计测量天然气流量 的要求。1 2 4导压管导压管的敷设有利于差压信号准确传导且取压阀、平衡阀处于正确的开/关状态。1112023 年第 4 期工业仪表与自动化装置1 3校准设备1 3 1压力标准器(压力校验仪)压力发生范围:能覆盖被校准压力送器量程或实际压力测量范围;控制稳定性:0 005%FS;目标压力稳定持续时间:5 min。1 3 2温度标准器(恒温槽或温度校验仪)温度发生范围:能覆盖被校准温度送器/温度传感器实际温度测量范围;准确度:0 5;显示分辨率:0 01;温场波动:0 03 /15 分钟;水平温场:0 05;垂直温场:0 5。1 3 3差压标准器(差压校验仪)差压发生范围:能覆盖被校准差压送器量程或实际差压测量范围;控制稳定性:0 005%FS;目标压力稳定持续时间:5 min;控制响应时间:30 s。1 3 4标准电阻箱量程:0 400 000;分辨率:10 m;准确度:不低于 0 02%D+0 02。1 3 5直流信号源可输出三路 DC(0 20)mA 连续可调信号;量程:0 22 000 0 mA;分辨率:1 A;准确度:不低于0 02%D+1 A;稳定度:0 05%/2 h。2校准项目与校准方法2 1校准项目校准项目见表 2，分体式标准孔板流量计单次校准应包括单项校准和成套校准两项。表 2校准项目一览表序号校准项目1标准孔板检定/校准及安装确认标准孔板检定/校准核验技术文件核验安装使用条件核验2单项校准铂热电阻、温度变送器检定/校准差压变送器检定/校准压力变送器检定/校准流量积算单元检定/校准3成套校准2 2校准方法2 2 1标准孔板检定/校准及安装确认(1)标准孔板现场检定校准若标准孔板有有效溯源证书，且是几何检测法溯源证书，则可依据 JJG 640 2016差压式流量计 5 1 条评估标准孔板引入的标准不确定度分量，依据附录 B 计算标准孔板流出系数;若标准孔板有有效溯源证书，且是系数检测法溯源证书，则可依据溯源证书的结果评估标准孔板引入的标准不确定度分量及计算流出系数;若标准孔板无有效溯源证书，且几何检测法可以满足其不确定度要求，则可参照 JJG 640 2016差压式流量计 7 1 条对其进行现场校准。标准孔板流量计中适用的标准孔板，在实际使用时，应根据实际使用温度 t1对标准孔板喉部直径dt1进行修正使用。若标准孔板无有效的溯源证书，且几何检测法不能满足其不确定度要求，则可参照 JJG 640 2016差压式流量计 7 2 条对其进行系数校准，校准结果应给出标准节流件流出系数计算公式及标准不确定度。(2)技术文件核验核验检定/校准证书的标准孔板各项参数与待校准流量计标准孔板是否一致且在规定的有效期内。核验检定/校准证书给出的测试数据(如开孔径或流出系数等)是否符合设计计算书、GB/T2624(或 GB/T21446)及 JJG640 相关规定。核验设计计算书给出的流量范围是否能涵盖实际流量测量范围。核验设计的差压量程是否能涵盖实际或设计流量范围相对应的差压测量范围(依据设计书给出的标准孔板设计参数与用户提供的实际温度、压力核算实际或设计流量范围相对应的差压测量范围，当实际或设计流量范围相对应的差压测量范围大于差压设计量程或低于差压设计量程的 1/2，应按实际或设计流量范围相对应的差压测量范围调整差压量程。)核验参数设置清单中的温度、压力量程是否与温度、压力变送器设置一致且能涵盖实际测量范围。核验设计计算书及参数设置清单中其它参数与实际工作条件是否一致(被校准节流式流量计参数设置清单一般包括:标准节流件型式、被测介质类型、流量计算方法/标准、物性值计算方法/标准、管道材质、管道内径、节流件材质、节流件开孔径、温度量程上下限、压力量程上下限、差压量程上下限、瞬时流量单位、累积流量单位及设计温度、设计压力、设计最大流量等内容。)(3)安装使用条件核验现场核验标准节流装置安装方式(水平或垂直)、前后直管段长度、与工艺管道的同心度、差压211工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期管路的引出与敷设方式、法兰与夹持环的位置等，核验其是否符合 GB/T2624 2006(若测量介质为天然气，应满足 GB/T21446 2008 的要求)与 JJG640 2016 的规定要求。2 2 2单项校准(1)温度变送器检定/校准在确认被校准温度变送器量程与参数设置清单中温度量程上下限一致后，使用温度标准器(恒温槽或温度校验仪)按照 JJF 1183 2007 温度变送器校准规范进行。(2)差压变送器检定/校准在确认被校准差压变送器量程与参数设置清单中差压量程上下限一致后，使用压力标准器(压力校验仪)按照 JJG 882 2019 压力变送器检定规程进行。(3)压力变送器在确认被校准压力变送器量程与参数设置清单中压力量程上下限一致后，使用压力标准器(压力校验仪)按照 JJG 882 2019 压力变送器检定规程进行。(4)流量积算仪在确认被检测/校准流量积算单元中的设置参数与参数设置清单对应参数一致后，按照 JJG1003 2016 中 7 3 2 的规定进行。检测/校准前按下图连接好线，通常被检仪表通电预热10 min。如产品说明书对预热时间另有规定的，则按说明书规定的时间预热。图 2流量积算单元检测/校准接线示意图瞬时流量校准校准点取下限流量所对应的差压值和上限流量25%、50%、75%、100%所对应的差压值附近，以上校准点是在设计状态下;对于具有压力、温度补偿功能的，另外应在压力不变，温度在设计范围内任取两点，温度不变，压力在设计范围内任取两点，流量为最大情况下分别进行校准。按选取校准点，流量积算单元做一次测量。按下式计算每个检测/校准点的相对误差。Ei=qi qsiqsi 100%(1)式中:Ei为第 i 检测/校准点的相对误差;qi为第 i 检测/校准点积算单元的示值;qsi为第 i 检测/校准点的瞬时流量的理论计算值。其中，qsi的计算应根据标准孔板的参数及被测介质在校准点的操作条件，依据国家有关标准和计量检定规程进行计算(或使用通过法定计量检定单位认证的计算软件进行计算)。介质物性值计算应符合 JJG1003 2016 附录 A 2 的规定。补偿参量校准试验点取零点、0 25Amax、0 5Amax、0 75Amax、Amax。其中，Amax为模拟输入信号的上限值。对于温度信号采用热电阻和热电偶的，Amax取设计任务书温度上限。按选取校准点，流量积算单元作一次测量。按下式计算每个校准点误差。EAi=Ai AsiAmax 100%(2)式中:EAi为第 i 校准点的误差;Ai为第 i 校准点流量积算单元的示值;Asi为第 i 校准点输入信号对应的理论计算值;Amax为输入信号上限对应的理论计算值。2 2 3成套校准在确认被校准的分体式标准孔板流量计的变送器及流量积算单元中的设置与参数设置清单对应参数一致后，参照 JJG1003 2016 中 7 3 2 1 的相关规定进行。二次装置保持实际工作连接状态，将温度传感器放入温度标准器(恒温槽等)中，压力变送器与压力标准器(压力校验仪)连接，差压变送器与差压标准器(差压校验仪)连接，通电预热 10 min。(1)瞬时流量检测/校准校准点取下限流量所对应的差压值和上限流量25%、50%、75%、100%所对应的差压值附近，以上校准点是在设计状态下;对于具有压力、温度补偿功能的，另外应在压力不变，温度在设计范围内任取两点，温度不变，压力在设计范围内任取两点，流量为最大情况下分别进行校准。按选取校准点，做一次测量。按下式计算每个流量点的误差。Ei=qi qsiqsi 100%(3)3112023 年第 4 期工业仪表与自动化装置式中:Ei为第 i 校准点的相对误差;qi为第 i 校准点二次装置的示值;qsi为第 i 校准点的瞬时流量的理论计算值。其中，qsi的计算应根据标准节流件的型式及被测介质在检测/校准点的操作条件，依据国家有关标准和计量检定规程进行计算(或使用通过法定计量检定单位认证的计算软件进行计算)。介质物性值计算应符合 JJG1003 2016 附录 A 2 的规定。(2)温度、压力、差压测量通道校准试验点取零点、0 25Amax、0 5Amax、0 75Amax、Amax。其中，Amax分别为温度、压力、差压变送器上限值。按选取校准点，作一次测量。按下式计算每个校准点误差。Ei=Ai AsiAmax 100%(4)式中:Ei为第 i 校准点的误差;Ai为第 i 校准点二次装置的示值;Asi为第 i 校准点输入的标准信号(温度、压力、差压)值;Amax为输入的标准信号(温度、压力、差压)上限值。3结论与展望该文在大量现场工作与工程实际的基础上对分体式标准孔板流量计的校准方法进行了研究，即针对分体式标准孔板流量计的构成特点，采用单项校准与成套校准相结合校准方式，解决了规程中规定的三种方法无法完全解决分体式标准孔板流量计实际校准的问题，形成了更为合理的分体式标准孔板流量计的校准方法，提高了其校准工作的效率。在该文确定了校准方法之后，下一步将对此校准方法的不确定度进行分析，并在工作中对此方法进行检验，对其实用性和合理性进一步验证。参考文献:1 差压式流量计:JJG 640 2016 S 北京:中国计量出版社，2016 2 用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量 第 2 部分:孔板:GB/T 2624 2 2006S 北京:中国标准出版社，2006 3 用标准孔板流量计测量天然气流量:GB/T 21446 2008 S 北京:中国标准出版社，2008 4 温度变送器校准规范:JJF 1163 2007 S 北京:中国计量出版社，2007 5 压力变送器:JJG 882 2019 S 北京:中国计量出版社，2019 6 流量积算仪:JJG 1003 2016 S 北京:中国计量出版社，2016 7 姜毅韡，范晨，洪扁，等 差压变送器对差压式流量计准确度的影响分析及校准方法讨论J 仪表仪器用户，2022，29(03):106 108 8 卢嘉敏，张强，张达远，等 差压式流量计综述J 计量技术，2018(01):9 12 9 庞宝新，李元满，付生辉 提高差压式流量计的测量准确度 J 上海计量测试，2018，45(S1):19 23 10 国明昌，侯庆强 流量计核查技术在天然气流量计检定中的应用 J 计量技术，2019，3:42 46 11 国明昌，李锴，钱星，等 关于天然气流量标准装置期间核查方法的讨论 J 工业计量，2020，30(5):66 69 12 牛亚琳，周宇仁，朱晨彬，等 差压式孔板流量计中各种因素对计量结果的影响J 企业科技与发展，2022，4:73 75 13 赵清 基于孔板流量计 J 科技风，2018:127(上接第 109 页)3结语根据实际运行数据验证可得，重新匹配用户工况的低温冷冻站节能改造方案，夏季系统能效提升414%，节能率 29 4%;冬季系统能效提升 100%以上，节能率 50%以上。不仅解决降低能耗的问题，还可实现无人值守，对于采用低温冷冻站的工业企业而言具有较好的推广价值。参考文献:1 国家发展改革委，工业和信息化部，生态环境部，国家能源局 高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南(2022 年版)Z 2022 02 03 2 刘昶，吴疆，张瑞，等 广州地铁 14 号线嘉禾望岗站空调冷却水系统能效分析 J 暖通空调，2020，50(10):76 81 3 中国工程建设标准化协会 高效空调制冷机房评价标准:T/CECS 1100 2022 S 2022 11 01 4 全国冷冻空调设备标准化技术委员会 蒸汽压缩式循环冷水(热泵)机组 第 1 部分:工业或商业用及类似用途的冷水(热泵)机组:GB/T184301 2007 S 2008 02 01 5 全国冷冻设备标准化技术委员会 容积式和离心式冷水(热泵)机组性能试验方法:GB/T10870 2001S 2001 10 01411工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期