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導(dǎo)致二氧化氮流量計(jì)測量結(jié)果產(chǎn)生誤差的因素有哪些
點(diǎn)擊次數(shù)：2260 發(fā)布時(shí)間：2020-11-06 08:11:19
一、二氧化氮流量計(jì)組成部分
二氧化氮流量計(jì)是將標(biāo)準(zhǔn)孔板與差壓變送器配套組成的差壓式流量裝置，可測量氣體、蒸汽、液體及天然氣的流量，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、供熱、供水等領(lǐng)域的過程控制和測量。如圖1所示。
二氧化氮流量計(jì)組成部分
圖1二氧化氮流量計(jì)組成部分
1-標(biāo)準(zhǔn)孔板 2-引壓管路 3-三閥組 4-差壓計(jì)
二、二氧化氮流量計(jì)的工作原理
1、測量原理
二氧化氮流量計(jì)是以相似原理為根據(jù)，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的瞬時(shí)流量計(jì)。天然氣二氧化氮流量計(jì)基于流體在通過設(shè)置于流通管道上的流動(dòng)阻力件時(shí)產(chǎn)生的壓力差與流體流量之間的確定關(guān)系，通過測量差壓值求得流體流量。
2、流量方程
如圖2所示，根據(jù)流動(dòng)連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律），天然氣二氧化氮流量計(jì)的流量方程為：
二氧化氮流量計(jì)的流量方程
公式（1）
式中：Q為體積流量；β為直徑比，β=d/D；d為工作條件下節(jié)流件的孔徑；D為工作條件下上游管道內(nèi)徑；Ao為節(jié)流件的開孔截面積； C 為流出系數(shù)；ΔP為節(jié)流裝置前后實(shí)際測得的差壓；p為節(jié)流裝置上游流體密度；ε為可膨脹系數(shù)。
流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)壓力和流速變化情況
圖2 流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)壓力和流速變化情況
3、流動(dòng)狀態(tài)的要求
二氧化氮流量計(jì)的流出系數(shù) C 是在特定的實(shí)驗(yàn)室參比條件下，通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)得出的計(jì)算方法。因此，為了保證測量精度，對(duì)于氣流流動(dòng)狀態(tài)應(yīng)符合如下四條要求：
3.1 流體必須是牛頓流體，在物理學(xué)和熱力學(xué)上是均勻的、單相的，或者可認(rèn)為是單相的流體。
3.2 流體流動(dòng)是穩(wěn)定流或**間變化不大的緩變流。
3.3 流體必須滿管流，流經(jīng)節(jié)流件前流動(dòng)應(yīng)達(dá)到充分紊流，流束平行于管道軸線且無旋轉(zhuǎn)，流經(jīng)節(jié)流件時(shí)不發(fā)生相變。
3.4 流體通過孔板節(jié)流裝置的流動(dòng)，必須保持孔板下游靜壓與孔板上游靜壓之比不小于0.75，管道雷諾數(shù)Re≥5000（角接取壓）和管道雷諾數(shù)Re≥1260β2D（法蘭取壓）。
三、二氧化氮流量計(jì)不確定度分析
由于存在取壓方式（角接取壓、法蘭取壓）的影響；流量計(jì)算假設(shè)條件等因素的影響；孔板加工、安裝等技術(shù)要求。二氧化氮流量計(jì)的使用和流量計(jì)算必須嚴(yán)格遵守規(guī)范規(guī)定，否則，其流量測量的不確定度無法計(jì)算或誤差較大。
根據(jù)天然氣二氧化氮流量計(jì)的流量方程（公式1）可知，影響流量測量的精度主要由流出系數(shù)C、可膨脹系數(shù)、差壓和天然氣的物性。
1、流出系數(shù)不確定度變化
流出系數(shù)C是為了補(bǔ)償任意兩點(diǎn)的摩擦影響所列入的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，它與節(jié)流件的幾何形狀、取壓位置及雷諾數(shù)等有關(guān)，通常由試驗(yàn)確定。當(dāng)直管段長度符合SY/T6143-2004的規(guī)定的節(jié)流前10D和節(jié)流后4D長的測量管，圓度滿足不大于±0.3%的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，則流出系數(shù)不確定度δc/c只隨β值的不同而不同。此時(shí)，當(dāng)β≤0.6時(shí)，則δc/c=±0.6%；當(dāng)β<0.60時(shí)，則δc/c=±β%。
2、天然氣可膨脹系數(shù)不確定度變化
當(dāng)所測天然氣流經(jīng)孔板時(shí)，由于流速和壓力的改變而伴隨著密度的改變（氣體壓力從P1降為p2，因膨脹而使密度減?。?，為適應(yīng)此種變化以修正因假設(shè)密度等于常量而對(duì)流量引起的偏差，因此必須加人一個(gè)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)被稱為可膨脹系數(shù)ε。
二氧化氮流量計(jì)公式
公式（2）
對(duì)于天然氣而言，可膨脹性系數(shù)的不確定度為：δε/ε=±4（Δp/pi）%
它與二氧化氮流量計(jì)實(shí)測差壓Δp成正比，與靜壓p1成反比。目前在天然氣計(jì)量中差壓值一般在50000Pa之內(nèi)，靜壓在1-1OMPa范圍內(nèi)，因此 δε/ε*小為±0.00002%，*大為±0.2%或更大。
3、天然氣密度測量不確定度δρ/ρ
密度取值按測量方法的不同而異，其一為直接密度測量，由密度計(jì)直接決定其值；天然氣密度測量的不確定度δρ/ρ*小為±1.013%，*大為±1.571%或更大。
4、差壓P的不確定度
標(biāo)準(zhǔn)SY/T6143—2004中的流量實(shí)用公式在應(yīng)用能量方程導(dǎo)出過程中，規(guī)定測量管道水平（包括上、下游側(cè)的測量管）。因此，其上、下游取壓口的位置差為零，差壓Δp則是在孔板上、下游側(cè)所規(guī)定的取壓口位置上量得的靜壓之差。
流量計(jì)差壓公式
公式（3）
式中：ζΔp為差壓計(jì)的精度等級(jí)；Δpk為差壓計(jì)的量程；Δpf為預(yù)定差壓測量值。
由此可見，當(dāng)所用差壓計(jì)的精度為0.5級(jí)，量程為0~600kpa，預(yù)設(shè)差壓測景值為300kpa時(shí)，對(duì)于天然氣孔板流景計(jì)，置信概率為95%的測量總不確定度為：
天然氣流量測量的總不確定度，據(jù)SY/T6143-2004規(guī)定，實(shí)際上就是測量系統(tǒng)的測量值與真值比較，置信概率為95%的準(zhǔn)確度，其測量的總不確定度δQn/Qn*小為±0.82%，*大為±4.52%或更大。
四、二氧化氮流量計(jì)使用中的測量誤差分析
在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，對(duì)于二氧化氮流量計(jì)如果使用不當(dāng)，會(huì)造成很大的測量誤差，有時(shí)可達(dá)到20%左右。在流量計(jì)的使用中，如何減少其測量誤差，必須考慮流量的測量原理和結(jié)構(gòu)形式，注意使用條件和測量對(duì)象的物理性質(zhì)是否與所選用的流量計(jì)性能相適應(yīng)。下面就其測量誤差進(jìn)行分析：
1、流量計(jì)算方程描述流體是充滿圓管的、充分發(fā)展的定常流。若流動(dòng)狀態(tài)真實(shí)性無法確定，如果仍按照原有的儀表常數(shù)推算流量，將與實(shí)際流量存在誤差。
2、天然氣以甲烷為主加上乙烷和其他少量的輕烴，真實(shí)相對(duì)密度小于或等于0.75。由于被測介質(zhì)實(shí)際特性的不確定因素，以及實(shí)際物性變化影響儀表正常工作等對(duì)流量測量的不確定度產(chǎn)生影響。
3、孔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 加工、 裝配、安裝、檢驗(yàn)和使用必須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的全部技術(shù)要求。由于各個(gè)裝置自身及環(huán)境條件因素引起的不確定因素。
4、孔板安裝不正確
管道水平安裝，如果孔板開孔中心與管道中心線不同心；如果在安裝過程中存在引壓管堵塞及墊片等凸出物，則會(huì)造成孔板前后壓差測量不準(zhǔn)確，從而造成測量誤差。
5、孔板入口邊緣被磨損
在使用中，由于流體的磨蝕作用，使孔板的人口邊緣變鈍，被磨成圓形入口邊緣。結(jié)果是在相同的流量下，孔口收縮系數(shù)變大，造成差壓發(fā)生變化，造成測量誤差。
6、孔板表面的結(jié)垢
長期使用時(shí)，孔板表面結(jié)據(jù)，使孔板的流通面積變小，從而造成差壓增大，使流量計(jì)測量值大于實(shí)際值，影響計(jì)量精度。
7、差壓變送器零點(diǎn)漂移和量程設(shè)置不當(dāng)
由于時(shí)間較長，變送器的零點(diǎn)會(huì)發(fā)生漂移，這時(shí)差壓變送器的輸人和輸出信號(hào)發(fā)生變化。若不及時(shí)調(diào)整，會(huì)造成實(shí)測流量值偏低或偏高。
二氧化氮流量計(jì)是將標(biāo)準(zhǔn)孔板與差壓變送器配套組成的差壓式流量裝置，可測量氣體、蒸汽、液體及天然氣的流量，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、供熱、供水等領(lǐng)域的過程控制和測量。如圖1所示。
二氧化氮流量計(jì)組成部分
圖1二氧化氮流量計(jì)組成部分
1-標(biāo)準(zhǔn)孔板 2-引壓管路 3-三閥組 4-差壓計(jì)
二、二氧化氮流量計(jì)的工作原理
1、測量原理
二氧化氮流量計(jì)是以相似原理為根據(jù)，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的瞬時(shí)流量計(jì)。天然氣二氧化氮流量計(jì)基于流體在通過設(shè)置于流通管道上的流動(dòng)阻力件時(shí)產(chǎn)生的壓力差與流體流量之間的確定關(guān)系，通過測量差壓值求得流體流量。
2、流量方程
如圖2所示，根據(jù)流動(dòng)連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律），天然氣二氧化氮流量計(jì)的流量方程為：
二氧化氮流量計(jì)的流量方程
公式（1）
式中：Q為體積流量；β為直徑比，β=d/D；d為工作條件下節(jié)流件的孔徑；D為工作條件下上游管道內(nèi)徑；Ao為節(jié)流件的開孔截面積； C 為流出系數(shù)；ΔP為節(jié)流裝置前后實(shí)際測得的差壓；p為節(jié)流裝置上游流體密度；ε為可膨脹系數(shù)。
流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)壓力和流速變化情況
圖2 流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)壓力和流速變化情況
3、流動(dòng)狀態(tài)的要求
二氧化氮流量計(jì)的流出系數(shù) C 是在特定的實(shí)驗(yàn)室參比條件下，通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)得出的計(jì)算方法。因此，為了保證測量精度，對(duì)于氣流流動(dòng)狀態(tài)應(yīng)符合如下四條要求：
3.1 流體必須是牛頓流體，在物理學(xué)和熱力學(xué)上是均勻的、單相的，或者可認(rèn)為是單相的流體。
3.2 流體流動(dòng)是穩(wěn)定流或**間變化不大的緩變流。
3.3 流體必須滿管流，流經(jīng)節(jié)流件前流動(dòng)應(yīng)達(dá)到充分紊流，流束平行于管道軸線且無旋轉(zhuǎn)，流經(jīng)節(jié)流件時(shí)不發(fā)生相變。
3.4 流體通過孔板節(jié)流裝置的流動(dòng)，必須保持孔板下游靜壓與孔板上游靜壓之比不小于0.75，管道雷諾數(shù)Re≥5000（角接取壓）和管道雷諾數(shù)Re≥1260β2D（法蘭取壓）。
三、二氧化氮流量計(jì)不確定度分析
由于存在取壓方式（角接取壓、法蘭取壓）的影響；流量計(jì)算假設(shè)條件等因素的影響；孔板加工、安裝等技術(shù)要求。二氧化氮流量計(jì)的使用和流量計(jì)算必須嚴(yán)格遵守規(guī)范規(guī)定，否則，其流量測量的不確定度無法計(jì)算或誤差較大。
根據(jù)天然氣二氧化氮流量計(jì)的流量方程（公式1）可知，影響流量測量的精度主要由流出系數(shù)C、可膨脹系數(shù)、差壓和天然氣的物性。
1、流出系數(shù)不確定度變化
流出系數(shù)C是為了補(bǔ)償任意兩點(diǎn)的摩擦影響所列入的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，它與節(jié)流件的幾何形狀、取壓位置及雷諾數(shù)等有關(guān)，通常由試驗(yàn)確定。當(dāng)直管段長度符合SY/T6143-2004的規(guī)定的節(jié)流前10D和節(jié)流后4D長的測量管，圓度滿足不大于±0.3%的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，則流出系數(shù)不確定度δc/c只隨β值的不同而不同。此時(shí)，當(dāng)β≤0.6時(shí)，則δc/c=±0.6%；當(dāng)β<0.60時(shí)，則δc/c=±β%。
2、天然氣可膨脹系數(shù)不確定度變化
當(dāng)所測天然氣流經(jīng)孔板時(shí)，由于流速和壓力的改變而伴隨著密度的改變（氣體壓力從P1降為p2，因膨脹而使密度減?。?，為適應(yīng)此種變化以修正因假設(shè)密度等于常量而對(duì)流量引起的偏差，因此必須加人一個(gè)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)被稱為可膨脹系數(shù)ε。
二氧化氮流量計(jì)公式
公式（2）
對(duì)于天然氣而言，可膨脹性系數(shù)的不確定度為：δε/ε=±4（Δp/pi）%
它與二氧化氮流量計(jì)實(shí)測差壓Δp成正比，與靜壓p1成反比。目前在天然氣計(jì)量中差壓值一般在50000Pa之內(nèi)，靜壓在1-1OMPa范圍內(nèi)，因此 δε/ε*小為±0.00002%，*大為±0.2%或更大。
3、天然氣密度測量不確定度δρ/ρ
密度取值按測量方法的不同而異，其一為直接密度測量，由密度計(jì)直接決定其值；天然氣密度測量的不確定度δρ/ρ*小為±1.013%，*大為±1.571%或更大。
4、差壓P的不確定度
標(biāo)準(zhǔn)SY/T6143—2004中的流量實(shí)用公式在應(yīng)用能量方程導(dǎo)出過程中，規(guī)定測量管道水平（包括上、下游側(cè)的測量管）。因此，其上、下游取壓口的位置差為零，差壓Δp則是在孔板上、下游側(cè)所規(guī)定的取壓口位置上量得的靜壓之差。
流量計(jì)差壓公式
公式（3）
式中：ζΔp為差壓計(jì)的精度等級(jí)；Δpk為差壓計(jì)的量程；Δpf為預(yù)定差壓測量值。
由此可見，當(dāng)所用差壓計(jì)的精度為0.5級(jí)，量程為0~600kpa，預(yù)設(shè)差壓測景值為300kpa時(shí)，對(duì)于天然氣孔板流景計(jì)，置信概率為95%的測量總不確定度為：
天然氣流量測量的總不確定度，據(jù)SY/T6143-2004規(guī)定，實(shí)際上就是測量系統(tǒng)的測量值與真值比較，置信概率為95%的準(zhǔn)確度，其測量的總不確定度δQn/Qn*小為±0.82%，*大為±4.52%或更大。
四、二氧化氮流量計(jì)使用中的測量誤差分析
在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，對(duì)于二氧化氮流量計(jì)如果使用不當(dāng)，會(huì)造成很大的測量誤差，有時(shí)可達(dá)到20%左右。在流量計(jì)的使用中，如何減少其測量誤差，必須考慮流量的測量原理和結(jié)構(gòu)形式，注意使用條件和測量對(duì)象的物理性質(zhì)是否與所選用的流量計(jì)性能相適應(yīng)。下面就其測量誤差進(jìn)行分析：
1、流量計(jì)算方程描述流體是充滿圓管的、充分發(fā)展的定常流。若流動(dòng)狀態(tài)真實(shí)性無法確定，如果仍按照原有的儀表常數(shù)推算流量，將與實(shí)際流量存在誤差。
2、天然氣以甲烷為主加上乙烷和其他少量的輕烴，真實(shí)相對(duì)密度小于或等于0.75。由于被測介質(zhì)實(shí)際特性的不確定因素，以及實(shí)際物性變化影響儀表正常工作等對(duì)流量測量的不確定度產(chǎn)生影響。
3、孔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 加工、 裝配、安裝、檢驗(yàn)和使用必須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的全部技術(shù)要求。由于各個(gè)裝置自身及環(huán)境條件因素引起的不確定因素。
4、孔板安裝不正確
管道水平安裝，如果孔板開孔中心與管道中心線不同心；如果在安裝過程中存在引壓管堵塞及墊片等凸出物，則會(huì)造成孔板前后壓差測量不準(zhǔn)確，從而造成測量誤差。
5、孔板入口邊緣被磨損
在使用中，由于流體的磨蝕作用，使孔板的人口邊緣變鈍，被磨成圓形入口邊緣。結(jié)果是在相同的流量下，孔口收縮系數(shù)變大，造成差壓發(fā)生變化，造成測量誤差。
6、孔板表面的結(jié)垢
長期使用時(shí)，孔板表面結(jié)據(jù)，使孔板的流通面積變小，從而造成差壓增大，使流量計(jì)測量值大于實(shí)際值，影響計(jì)量精度。
7、差壓變送器零點(diǎn)漂移和量程設(shè)置不當(dāng)
由于時(shí)間較長，變送器的零點(diǎn)會(huì)發(fā)生漂移，這時(shí)差壓變送器的輸人和輸出信號(hào)發(fā)生變化。若不及時(shí)調(diào)整，會(huì)造成實(shí)測流量值偏低或偏高。