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试论流量仪表标准检测件和非标准检测件的区分


http://www.intl-sensor.com    时间:2010/8/3 13:39:42    点击1510次

 

试论流量仪表标准检测件和非标准检测件的区分
重庆工业自动化仪表研究所 孙淮清
【摘 要】 近年国内流量行业盛行用非标准检测件代替标准检测件,无疑,非标准检测件有某些优点为用户所青睐是主要原因,但应看到非标准检测件在现场使用中所存在的风险,由于现场影响量的不确定性使非标准检测件的实验室准确度偏离现场准确度。对准确度有严格要求的场合应特别注意此问题。文章试论标准检测件与非标准检测件的区分就是试图提醒用户们注意,以免误入了陷阱。
【关键词】 标准检测件 非标准检测件 现场影响量 实验室准确度 现场准确度
近年国内流量仪表行业不断掀起一股股推介流量仪表非标准检测件热潮,几年前是V形内锥(Vcone)检测件,近来是多孔平衡节流装置(A+K平衡流量计)等等,这些新型检测件无疑具有一些重要特点:如无需较长的安装直管段、压损较低、抗脏污耐磨蚀、范围度较宽等,这些优点大都是与标准检测件——标准孔板相比较而言的,因此有专家预言:这些非标准检测件是老一代标准检测件的更新换代产品,困扰人们的一系列流量测量难题将迎刃而解,预言能否实现、实际的发展前景如何皆是人们感兴趣的问题。
目前流量仪表标准检测件仅为ISO5167和ISO9300中列举的几种:孔板、喷嘴、文丘里管、临界流文丘里喷嘴等。而其余几十种或几百种流量检测件应该列为非标准检测件。但是在实际使用中标准检测件的用量却占大多数(50%以上),为什么会出现这种现象是值得人们深思的问题。本文试图剖析标准检测件和非标准检测件的区分,说明两者质的差别是其用量反差的主要原因。非标准检测件的出现是流量仪表发展生命力强盛的表现,不重视、不重用非标准检测件是与科技发展背道而驰的,但是不重视非标准检测件的不足,不尽力扶持非标准检测件向标准型转变会对仪表使用造成莫大的损害又是必须认识的事实。
笔者认为流量行业应统筹加大非标准检测件科研开发力度,使其尽快向标准型过渡,使流量测量水平更上一层楼。
一、标准检测件的特点
ISO5167和ISO9300是标准检测件的国际标准。由标准文件中,我们可以发现标准检测件有三个主要特点:
1.结构形式和技术要求标准化
标准中详细列举每一种检测件的结构形状参数和加工技术要求,这些规定得到国际权威标准和计量机构的确认,全世界流量界采用同样的参数,因此其测量结果得到一致的认可。更为重要的是,对标准检测件科研及应用的数据可以汇聚在一起,使数据的范围大为扩展,可靠性和可信度都大为提高。我们应该注意例如V形内锥检测件由于其结构形式和技术参数未标准化,各试验研究者和应用者的数据是不能汇聚在一起的。试想一想,由全世界全社会积聚的数据与个别厂家或科研群体提出的数据无论其广度和深度以及可靠度、可信性怎能处于同样质的等级呢?
2.标准列出检测件的流出系数和可膨胀性系数计算式
流出系数c和可膨胀性系数ε是检测件的主要修正系数,在流量关系式里只要知道此二系数,就可得出流量与信号(差压)的关系。对于非标准检测件此二系数必须在流量标准装置上逐台实流校准得到,它们不是通用计算式,即使是用同样图纸制造的亦必须逐台校准。从ISO5167标准孔板流出系数计算式的产生过程我们可以更深刻了解标准检测件和非标准检测件流出系数产生过程的差别。
ISO5167:2003(E)中标准孔板流出系数计算式是在继承20世纪70年代以前流出系数计算式长期发展的基础上再结合80年代美国和欧洲实行的对孔板流量计进行的大规模试验总结而得的。美国为API实验计划,欧洲为EEC实验计划。两个实验计划参加的有美国和欧洲最著名的11个流量实验室。历时12年才完成,共累积16376个试验点的数据,其中介质为油的有1889点,水的有8616点,气体的5871点,试验的参数为D:52mm~586 mm;β:0.1~0.75;d:12.5mm~440mm;ReD:400~5.3×107。上述试验数据称为回归数据库,用数理统计的回归分析法求得流出系数的函数关系式。
修订的新标准ISO5167:2003(E)流出系数和可膨胀性系数计算式的更新是主要的修订内容之一,新标准流出系数计算式用里德——哈利斯/加拉赫(Reader—Harris/Gallagher)公式(简称RG公式)代替斯托尔兹公式(stolz公式)。API和EEC实验计划严格按照标准规定的条件进行,孔板的同心度、平直度、开孔直径、表面粗糙度、入口边缘锐利度等都定量测定,对于测量管,其圆度、管径、间距及管壁粗糙度也定量测定。试验是随机进行的,以消除实验室的系统偏差,随机试验保证了对试验误差的有效估计,并可进行显著性、置信度和与时间有关的分析等统计检验。对相互独立的二重变量数据点(C、ReD)进行重复试验,以测定其准确度,并估计可能影响最终结果的非控制变量。由上述可见,标准检测件流出系数计算式的产生过程与非标准检测件的实流校准两者测试的水平是完全不一样的。
3.现场影响量的试验广泛而深入
流量仪表在流量标准装置上实流校准后得到实验室准确度,仪表投用现场,由于安装使用及流体条件的变化,流量计测量准确度变为现场准确度,实验室准确度和现场准确度的差别是因为现场使用条件变化而产生的,这些变化因素称为现场影响量。标准检测件影响量的试验研究是保证现场使用达到预期准确度的重要内容,它是随着检测件应用领域扩展而不断增加的。目前全世界关于标准孔板影响量的研究试验资料可以说汗牛充栋,我们称它为标准孔板的软实力,在各类流量检测件中它是居于首位的。在ISO5167:2003(E)中可以见到现场影响量的试验研究成果——关于检测件与阻流件之间所要求的直管段长度,成果有详尽的表列值,这些内容在即使有国际标准的其它类型流量计如涡轮、电磁、科氏质量流量计亦是见不到的,它说明在抑制非充分发展管流的影响量试验中,其它类型流量计尚不完善和成熟。
标准检测件的三个特点产生二种使用特性:
①检测件无须实流校准,可依据检测件的结构形状及技术要求以及流体特性求得流量与信号的关系及其测量不确定度;
②流量计投用现场后,由于使用条件偏离标准的规定,可利用影响量试验研究资料进行修正(或补偿)。
上述二特性是标准检测件和非标准检测件的主要差别,亦是标准检测件能获得用户大部分用量的原由。非标准检测件是否晋升为标准检测件可用上述二特性来衡量。
二、非标准检测件的发展问题
在流量仪表检测件中非标准检测件是占绝大多数的,在实际应用中是不可或缺的,目前涉及准确计量的贸易交接应用非标准检测件日益普遍,其存在的问题应引起重视,本文开头所举的V形内锥和多孔节流装置即为突出的实例。非标准检测件向标准型转换是性能质的提升,需进行大量试验研究工作,另外,还存在晋升是否存在可能性的问题,以下我们对达到标准检测件三个特点的发展问题作一探讨。
1.结构形式和技术要求标准化的问题
非标准检测件结构形式和技术要求标准化可分为三种类型:①适宜标准化;②部分类型可标准化;③不宜实施标准化。
①适宜标准化:如涡街、环形孔板、靶式等。涡街流量计在发展之初人们就认为它的特点与孔板极相似,适宜实行标准化,并将成为“数字孔板”,有朝一日会代替标准孔板成为普遍应用的检测件,经多年实践,人们逐渐认识到涡街自有其局限性,代替孔板并不可取。2002年日本工业标准JISZ 8766:2002提出旋涡发生体结构形式和技术要求的标准,标准旋涡发生体为三角柱形,它是目前最通行的结构形状,具有广泛的代表性。应该指出,确定结构形式仅是检测件标准发展的第一步,它相当于孔板在20世纪30年代标准化开始的水平,自那以后,孔板经几十年的发展,特别是1980年~1990年的一次大规模实验研究才形成目前标准孔板(ISO5167:2003(E))的水平,由此可见,涡街流量计今后的标准化工作仍然任重道远。靶式流量计检测件靶板基本形状在几十年前已经形成。美国Foxboro公司曾提出其流出系数计算式,但是国际上对此类流量计似乎冷落些。靶板其实亦是一种环形孔板,它是属于绕流装置而不是节流装置,绕流装置的一个优点即为检测件受阻流件的干扰较小,因而无需太长的直管段长度,V形内锥亦属于绕流装置一类的检测件。
②部分类型可标准化:电磁和超声流量计是属于此类型。电磁和超声流量计已成为流量仪表的主力仪表,我们应该更关注其标准化的发展可能性。由于二类仪表在宽泛领域应用,其结构形式及规格极其繁多,是否应该选择若干具有广泛代表性的结构形式和技术要求予以标准化,但不限制其它类型的多样化发展,二类流量计的标准化主要是给用户带来应用的利益,例如无须逐台校准,现场影响量的修正有资料参考等。
③不宜实施标准化,如涡轮、科氏质量流量计等。结构类型的创新是此类流量计发展的动力,标准型有抑制创新之嫌,是否不宜实施标准化拟或与电磁超声一样可选若干种类标准化再深入探讨之。
2.流出系数计算式的建立
流出系数计算式建立首先要建立计算式回归数据库,而数据库应包括广泛的测试参数如流体介质、口径、工作状态(压力、温度)和雷诺数范围等。数据库数据的测试应多家实验室参与以避免实验室的系统偏差。从标准节流装置的发展历史可见,此项工作由全社会来负担比较合适。由此可见,如果没有结构形式和技术要求的标准化,并且分布于全社会,这一步是无法进行的。目前有些检测件生产厂用花样翻新来保持其竞争优势,如均速管检测件,其发展与标准化背道而驰,在无法标准化情况下,又由于经济技术原因不能逐台实流校准,最终受害的只能是广大用户。
3.现场影响量的试验研究问题
现场影响量的试验研究是检测件发展中最为繁重的任务,花费的人力物力最多,只有经过长期的理论与实践的积累才能得出现场影响量的修正系数。检查某一类流量计投用的成熟程度可以查看它积累的资料情况而定。现场影响量主要内容有:非发展管流干扰、非定常流干扰、流体性状问题以及工作状态的影响等。
现场影响量试验研究工作量极其庞大,检测件标准化的意义在于可使此项工作由全社会来负担,不同研究者的资料可汇聚在一起,标准节流装置的发展历史证明这个结论。
三、小结
1.目前标准检测件只包括ISO5167和ISO9300中的几类检测件,尽管涡轮(ISO2715,ISO9951),电磁(ISO6817,ISO 9104)和科氏质量(ISO10790)等流量计皆颁布有国际标准,但这些类型流量计标准中见不到标准化的三个特点,因此,它们仍然是非标准检测件。
2.流量仪表检测件标准化的重要意义在于它可以比较可靠地确定现场准确度。非标准检测件实流校准的流量标准装置的条件是理想化的现场条件,条件偏离是普遍性的,非标准检测件在现场会遇到一些不确定性,亦即存在使用的风险,无论生产厂或用户都应该关注这个问题。
3.检测件标准化其意义在于在全部时间和空间中它们的试验研究可以汇聚在一起,这样它的成熟程度是愈来愈高了,非标准检测件没有这个特点,因此其数据的可靠性、可信度都是不高的。
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