摘要：玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)在檢定過(guò)程中，因調(diào)節(jié)氣體流量的方法不同會(huì)直接影響檢定結(jié)果的精度．針對(duì)這一問(wèn)題，采用氧氣、二氧化碳2種氣體分別作為檢定介質(zhì)，利用容積法對(duì)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)分別采用前調(diào)與后調(diào)流量的方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)．根據(jù)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，證實(shí)了對(duì)氣體流量的調(diào)節(jié)采用后調(diào)流量的方法，可使檢定誤差大大減小，因而進(jìn)一步提高了檢定結(jié)果的精度．這不僅對(duì)于實(shí)際檢定工作中提高檢定精度有著重要的意義，同時(shí)提高了流量計(jì)實(shí)際使用時(shí)的正確率．
在工礦企業(yè)中，需要進(jìn)行氣體流量測(cè)量的場(chǎng)合隨處可見(jiàn)．目前，氣體流量的計(jì)量問(wèn)題成為我國(guó)計(jì)量?jī)x表發(fā)展的重點(diǎn)，很多問(wèn)題都尚未得到解決．此外，氣體流量計(jì)的品種也不齊全，特別是大口徑、大流量的氣體流量計(jì)存在很多的問(wèn)題．因此對(duì)于氣體流量計(jì)的正確率及其傳遞有著更為嚴(yán)格的要求．在流量計(jì)的實(shí)際使用過(guò)程中，一般都從儀器的選擇方面提高測(cè)量結(jié)果的精度，但卻常常忽略了從最初的檢定來(lái)減小誤差的影響．但事實(shí)上，只有確保了檢定的正確率，才能減小氣體流量計(jì)使用誤差，從而進(jìn)一步提高測(cè)量的精度．
在實(shí)際工作中，多數(shù)檢定人員沒(méi)有意識(shí)到前調(diào)和后調(diào)的區(qū)別，但是2種看似差別不大的調(diào)節(jié)方式對(duì)檢定結(jié)果影響很大。目前針對(duì)這個(gè)問(wèn)題多是理論分析，缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，本課題針對(duì)上述情況在前期進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并獲得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合建立的數(shù)學(xué)模型，來(lái)對(duì)前調(diào)與后調(diào)流量2種方法進(jìn)行對(duì)比分析．同時(shí)對(duì)于如何在檢定玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)時(shí)提高檢定精度方面做了研究，并提出了有效的解決方法，從而大大減小了玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)檢定誤差．
1轉(zhuǎn)子流量計(jì)的檢定原理與數(shù)學(xué)模型
轉(zhuǎn)子流量計(jì)的檢定標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)JJG257-2007轉(zhuǎn)子流量計(jì)檢定規(guī)程而進(jìn)行的LI,檢定時(shí)采用鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置.鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置如圖1所示8-41.圖中的鐘罩是一個(gè)上部有頂蓋，下部開(kāi)口的容器，筒體內(nèi)盛滿(mǎn)水或者不易揮發(fā)的油.由于液封的作用,使得鐘罩成為一個(gè)密封的容器.進(jìn)氣閥上的導(dǎo)管插入鐘罩內(nèi),頂端露出液面,其高度以鐘罩下降到最低點(diǎn)時(shí)不碰到鐘罩頂蓋為宜.為了避免鐘罩下降時(shí)晃動(dòng),通過(guò)導(dǎo)輪、定滑輪及配重錘來(lái)調(diào)節(jié)鐘罩內(nèi)的壓力.檢定玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的工作原理是首先打開(kāi)進(jìn)氣閥門(mén),關(guān)閉出氣閥,開(kāi)動(dòng)氣泵使氣體通過(guò)導(dǎo)管流入氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作量器內(nèi).當(dāng)鐘罩上升到最高位置時(shí),關(guān)閉氣泵,停一段時(shí)間后,待標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)氣體的溫度穩(wěn)定時(shí),開(kāi)始檢定流量計(jì).鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置本身是一個(gè)恒壓源并給出標(biāo)準(zhǔn)容積的裝置.打開(kāi)出氣閥和調(diào)節(jié)閥,鐘罩以一定的速度下降.此時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),流量計(jì)開(kāi)始計(jì)數(shù)，測(cè)出鐘罩排出的氣體體積、溫度和時(shí)間,鐘罩內(nèi)的氣體通過(guò)導(dǎo)氣管經(jīng)被檢定的流量計(jì)流入大氣,計(jì)算出流量計(jì)在刻度狀態(tài)下的實(shí)際流量和示值誤差.實(shí)際流量值可根據(jù)公式(1)計(jì)算得出：
式中,V,τ分別為流量標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)排出的氣體體積,排出裝置的時(shí)間.Pv,Ps,Pm分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下、流量標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)和流量計(jì)前的氣體絕對(duì)壓力,PN=101325Pa.Tw,Ts,Tm分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下、流量標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)和流量計(jì)前的氣體絕對(duì)溫度,Tn=(273.15+20)K=293.15K.將實(shí)際流量值Q與被檢流量計(jì)的顯示值Q'相比較,利用公式(2)可計(jì)算出被檢流量計(jì)示值相對(duì)誤差為：
式中，δｖ———被檢流量計(jì)示值相對(duì)誤差，Ｑ′———被檢流量計(jì)的顯示值，Ｑ———實(shí)際流量值．鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置如圖1所示．
2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
2.1氣體測(cè)量刻度換算
日常使用的轉(zhuǎn)子流量計(jì),由于轉(zhuǎn)子流量計(jì)制造廠(chǎng)家標(biāo)定設(shè)備的限制，通常只能用水或者空氣來(lái)進(jìn)行標(biāo)定,所以實(shí)驗(yàn)中所用的檢定介質(zhì)為非標(biāo)定介質(zhì),應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)進(jìn)行修正也稱(chēng)為刻度換算.本實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下檢定點(diǎn)為1000L/h,氣體的密度受壓力、溫度變化的影響較大.因此，測(cè)量不同氣體時(shí)要進(jìn)行刻度換算.流量計(jì)的換算問(wèn)題，實(shí)際上就是對(duì)于不同的流體浮子處于同一高度時(shí),所反映出的流量值不同.這里使用了簡(jiǎn)化后的刻度氣體換算公式,忽略黏度對(duì)流體氣體的影響.在實(shí)驗(yàn)時(shí)的檢定溫度設(shè)定為常溫.介質(zhì)不是干空氣,所以要對(duì)流量示值進(jìn)行修正,可用公式(3),求出檢定介質(zhì)的修正值.
式中,qv0為流量計(jì)的氣體示值流量或輸出信號(hào)所對(duì)應(yīng)的流量.ρ01為使用氣體在刻度狀態(tài)下的密度.qv,p,T分別為工作狀態(tài)下的氣體流量換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量,被測(cè)氣體的壓力(即表壓力與大氣壓力之和)及溫.度.ρ0，p0,T0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下被測(cè)干氣體的密度、壓力及開(kāi)爾文溫度,p0=101325Pa.
標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氧氣的密度是1.331kg/m3,二氧化碳的密度為1.829kg/m3,空氣的密度為1.205kg/m3.根據(jù)修正公式(3),可以得到氧氣修正后檢定點(diǎn)為945.44L/h,二氧化碳修正后檢定點(diǎn)為806.53L/h.
2.2氧氣和二氧化碳實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與計(jì)算
玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)檢定介質(zhì)為氧氣前調(diào)流量和后調(diào)流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示.
在檢定玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)時(shí),以上一組數(shù)據(jù)是以氧氣為介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),壓力下所對(duì)應(yīng)的2個(gè)值分別為ps，pm,即流量標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)和流量計(jì)前氣體的絕對(duì)壓力.實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下檢定點(diǎn)為1000L/h,根據(jù)公式(3)，對(duì)氧氣修正后的檢定點(diǎn)為945.44L/h.根據(jù)公式(1)、表1以及表2中氧氣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得前調(diào)和后調(diào)流量值如圖2所示.
實(shí)驗(yàn)中,對(duì)于檢定時(shí)氣體流量的前調(diào)和后調(diào)都分別采集了3組數(shù)據(jù),對(duì)于3組數(shù)據(jù)求得的平均值作為最后的實(shí)際流量值,使檢定結(jié)果更加正確.從以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,對(duì)氧氣的數(shù)據(jù)分析知前調(diào)流量平均值為659.73L/h,后調(diào)流量平均值為987.64L/h,相比刻度修正后氧氣的檢定點(diǎn),后調(diào)流量與密度修正后檢定點(diǎn)945.44L/h的值更為接近.由前調(diào)和后調(diào)流量氧氣的示值誤差計(jì)算知,前調(diào)流量相對(duì)誤差為43.3%,后調(diào)流量相對(duì)誤差為4.3%.從而可以看出,檢定時(shí)使用后調(diào)流量,其實(shí)際流量值與檢定點(diǎn)更為接近且相對(duì)誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前調(diào)流量.2種看似差別不大的調(diào)節(jié)流量的方法,對(duì)于檢定結(jié)果卻有很大的差異，后調(diào)流量可使檢定結(jié)果更為正確.對(duì)于一種介質(zhì),由于其每種氣體都有各自的特殊性,從而不能充分地說(shuō)明哪種調(diào)節(jié)精度更高,相對(duì)誤差更小.為了使結(jié)果具有普遍性,任意選用另外一種氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以便更加清楚地說(shuō)明結(jié)果的普遍性.玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)檢定介質(zhì)為二氧化碳前調(diào)流量和后調(diào)流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3和表4所示.
對(duì)于以二氧化碳為介質(zhì)檢定轉(zhuǎn)子流量計(jì)時(shí),其檢定點(diǎn)同樣選擇1000L/h,同理根據(jù)公式(1)、表3和表4中二氧化碳的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得二氧化碳前調(diào)和后調(diào)流量值如圖3所示.
對(duì)于前調(diào)和后調(diào)流量,以每組中4次實(shí)際流量值的平均值為前調(diào)和后調(diào)最后的實(shí)際流量值,避免粗大誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響.同理根據(jù)公式(2),二氧化碳修正后檢定點(diǎn)的值為806.53L/h,由圖3中前調(diào)的平均值與后調(diào)平均值可得二氧化碳的示值誤差:前調(diào)為14.3%,后調(diào)為7.0%,其計(jì)算過(guò)程與氧氣的示值誤差計(jì)算過(guò)程相同.
對(duì)二氧化碳的數(shù)據(jù)分析知前調(diào)流量平均值為705.81L/h,后調(diào)流量平均值為867.41L/h,相比對(duì)二氧化碳刻度修正后的檢定點(diǎn),后調(diào)流量與密度修正后檢定點(diǎn)806.53L/h的值更為接近.前調(diào)流量相對(duì)誤差為14.3%,后調(diào)流量相對(duì)誤差為7.0%.二氧化碳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加充分地證明了在對(duì)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)檢定時(shí)，使用后調(diào)流量可使相對(duì)誤差大大減小，檢定結(jié)果更加正確.
3結(jié)論
從氧氣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知:前調(diào)流量平均值為659.73L/h,后調(diào)流量平均值為987.64L/h,后調(diào)流量均值與氧氣密度修正后檢定點(diǎn)945.44L/h的值更為接近.對(duì)于示值誤差,前調(diào)流量相對(duì)誤差為43.3%,后調(diào):流量相對(duì)誤差為4.3%,后調(diào)流量的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前調(diào)流量的誤差值.從二氧化碳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到前調(diào)流量平均值為705.81L/h,后調(diào)流量平均值為867.41L/h,與密度修正后檢定點(diǎn)806.53L/h相比較,可以清楚看到后調(diào)流量均值更為接近修正后的檢定點(diǎn).二氧化碳前調(diào)流量相對(duì)誤差為14.3%,后調(diào)流量相對(duì)誤差為7.0%,進(jìn)一步證實(shí)了在檢定玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)時(shí)使用后調(diào)流量可使檢定結(jié)果更加正確，減小誤差對(duì)檢定結(jié)果的影響.
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