涡轮流量计在高压环道气体流量标准装置中应用

1、前言：近年来，以天然气为代表的高压气体流量计量的准确性日益受到重视，气体压力的不同会带来气体流量仪表本身机械性能的巨大变化，从而造成气体流量仪表计量性能的严重变化。流量标准装置是复现流量量值的载体，也是进行流量计量研究的必要条件，世界各国都致力建立自己的高压气体流量标准装置。德国PTB、美国NLST、韩国KRISS等采用不同原级标准建立了高压气体流量标准装置。中国计量科学研究院2014年建成了一套高压气体流量标准装置，装置包括高压pVTt气体流量原级标准装置、高压音速喷嘴法气体流量次级标准装置及高压环道气体流量工作标准装置。高压环道气体流量标准装置以4台涡轮流量计作为标准表，可实现***高压力2. 5 MPa下1600 m3/h的测量能力，扩展不确定为0.21% (k=2)，本文分析了其组成及不确定度。

2、高压环道气体流量标准装置的建立：
   高压环道气体流量标准装置主要由气源部分、动力部分、换热部分、工作部分等组成，装置原理简图见图to    气源部分为系统提供高压气体，主要由2台空气压缩机、两级储气罐、两级调压装置等组成。一级储气罐***高耐压11 MPa，二级储气罐***高耐压5 MPa;一级减压调压系统由4个调压阀组成，二级减压系统由6个调压阀组成。
    动力部分是1台高压鼓风机，高压鼓风机为环道气体提供循环动力。安装在高压鼓风机出口的过滤器则保证管道内气体的洁净，同时也起到一定的整流作用。考虑到气体在环路系统运行中的沿程及局域压力损失，高压鼓风机具备2. 5 MPa下，200 kPa的升压能力。

图1高压环道气体流量标准装置原理简图

3、标准装置不确定度分析：
   以1台涡轮流量计标准表检定1台涡轮流量计被检表为例对装置的不确定度进行分析。
3.1、数学模型:
   根据质量守恒，通过涡轮流量计被检表的体积流量为:

  式中:QV,MUT为涡轮流量计被检表的真实体积流量，m3/h;E,为涡轮流量计标准表示值误差，通过上一级标准装置测量得到;K，为涡轮流量计标准表仪表系数，为流量计本身固有特性;N,为涡轮流量计标准表脉冲数;;t为实验时间，S9Pi"PMUT分别为涡轮流量计标准表、被检表处压力，Pa; T几UT分别为涡轮流量计标准表、被检表处温度，K : Z, , ZMUT分别为涡轮流量计标准表、被检表处空气的压缩系数。    为提高压力测量的准确度，装置采用“绝压+差压”的压力测量方式，即高精度绝压表串联差压变送器。进而，式(1)可改写为:

式中:Pabs为高精度绝压表取压点处压力，Pa;△p1

3.2、不确定度分析：
   根据式(3)，高压环道气体流量标准装置，系统相对测量不确定度为:

    由于标准表和被检表处的参数近似，于1，忽略该项不确定度影响。鲁接近    (1)涡轮流量计标准表示值误差，ur(E,)    4台标准表溯源至高压音速喷嘴气体流量次级标准装置。高压音速喷嘴气体流量次级标准装置的相对扩展不确定度为0. 15% ( k=2 ) fz7，因此，U(E,)= 0. 20 0(k=2),u(E,)=0. 10%。
    (2)压力测量，ur(pabs) ur(△p1;),ur(△pMUT )    压力测量系统采用“绝压+差压”的测量方式，通过2块高精度压力测量仪表(以下简称为绝压表)串联7块高精度相对压力变送器(以下简称为差压表)实现。绝压表与差压表取压点分别如图1所示。
    2块高精度绝压表由低压和高压2个测量传感器组成:低压段量程0. 2一0. 7 MPa，高压段量程0.，一3. 5 MPa。校准后测量不确定度为示值的0.01%(k=2)，因此，绝压测量带来不确度为:
    2. 5 MPa下，***大差压为2U0 kPa，因此，灵敏度系数为:

    差压变送器量程0一0. 1 MPa，校准后测量不确定度为0.025% (k=2)，差压测量带来的不确定度为:

3. 3、装置不确定度实现的关键措施：
   (1)涡轮流量计标准表的原位校准
   安装环境的变化对涡轮流量计测量准确度存在较大影响，为实现校准准确度，需特别注意安装对涡轮流量计的影响闭。为避免标准表因拆卸、安装带来的不确定度，高压环道装置的涡轮流量计标准表设计为原位校准方式。
   校准过程中，关闭工作部分外部球阀，打开消音器处球阀，保证调压系统一标准表涡轮流量计一16支音速喷嘴组一被检管路一消音器一大气做为气体流通路径，实现标准表的原位校准。有效提升涡轮流量计标准表溯源的可靠性，保证装置的不确定度。
    (2)“绝压+差压”的压力测量方法
   高压环道气体流量标准装置采用2块高精度绝压表串联7块高精度差压变送器的压力测量方法，这在以往国内同类装置中未见使用。单纯使用绝压表测量压力(以下简称为“绝压”测量)与“绝压十差压”2种测量方法的不确定度对比结果如表3所示。

    结果表明:使用“绝压”测量方法时，各部分灵敏度系数均为1，压力测量引人的标准不确定度为0. 0071 %;使用“绝压+差压”的压力测量方法时，部分灵敏度系数下降至0. 08，压力测量引人的标准不确定度降为0. 0015 %。因此，“绝压+差压”的测量方法由于各部分灵敏度系数的降低，有效降低了压力测量带来的总的不确定度，提高了装置的不确定度。

4、结论：
   中国计量科学研究院建成一套高压气体流量标准装置，该装置包括高压pVTt气体流量原级标准装置、高压音速喷嘴法气体流量次级标准装置及高压环道气体流量工作标准装置。该高压环道装置以4台涡轮流量计作为标准表，具备2. 5  MPa,1 600 m3/h的测量能力。高压环道装置的扩展不确定度为0.21% (k二2)。涡轮流量计标准表的原位校准与“绝压+差压”的压力测量方式的实施保证了装置测量不确定度的实现。