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国标校准方法用于浓密膏体管道流量测量装置的

浓密膏体管道流量测量装置是专为浓密膏体领域的实验研究和工程需要研发的一种流量计，该流量计必须要经过定期校准才能投入使用。为找到适于浓密膏体管道流量测量装置使用的校准方法，分析了多个标准中规定的方法( 称重法、容积法、标准表法和标准体积管法) ，通过分析比较，终得出只有称重法和标准体积管法能够适应不同含固量、不同电导率及不同流动性的浓密膏体，故建议此两种方法作为浓密膏体管道流量测量装置校准的方法。

0.引言

浓密膏体具有含固量高、黏度大、颗粒细、电导率低、管道输送流速慢等特点，目前难以用已知的各种流量计来测量。迫于工程实践和实验研究的需要，自主研发了一种浓密膏体管道流量测量装置 。该装置本质上是一种通过测量流速得到流量的速度式流量计。为改善输出精度，每一台流量计在出厂使用前必须要经过校准，故浓密膏体管道流量测量装置也必须经过校准才能投入使用。

现行标准 GB( 标准 ISO) 规定的液体流量计校准方法有称重法( 包括静态称重法和动态称重法) 、容积法( 包括静态容积法和动态容积法) 、标准表法和标准体积管法。一般生产流量计的厂家校准流量计时，用标准表法或者标准表与称重结合的方法。为此研究分析了多个标准的校准方法，并探讨能适用于浓密膏体管道流量测量装置的校准方法。

1.称重法

标准 GB /T 17612—1998《封闭管道中液体流量的测量 称重法》规定: 在已知时间间隔内测量流入称重容器内的流体质量以确定封闭管道内流体流量的方法，为称重法。其原理又分静态和动态两种。只要液体的蒸气压力不至于使称重容器中的液体由于蒸发而溢出的量影响所需的测量精度( 亦称准确度) ，并且确保液体充满管线且在测量段内不存在气穴，就可以使用该方法。由于这种方法的度很高，故必须要知道液体密度，才能作为基准的方法来校准其它的质量流量测量或容积流量测量。

1． 1 静态称重法

1) 基本原理。如图 1 所示，其工作过程为: 确定容器和容器内剩余液体的初始质量 m0 ( 去皮) 。操作换向器使液体流入称重容器( 直到认为的量足以达到所要求的度) ，同时启动计时器以测量注液时间 t( 放料、计时) 。确定容器和收集在容器内液体的终质量m1 ( 称重) 。

由此，注液期间内的平均质量流量是 qm 为:

2)  误差分析。仅考虑系统误差和随机误差两个主要误差源。

系统误差来源种类及消除方法:

( 1) 由衡器所产生的误差 ( 杆秤上刀口的位置、大气浮力估计) ，采用替代称重技术( 即电子秤)可以消除前者。

( 2)  由计时装置所引起的误差，若采用现代设备，计时误差小于 1 ms 时可忽略。

( 3)  由换向系统所引起的误差，取消换向系统可以消除该误差。

( 4) 由密度测量引起的误差( 温度或密度测量装置引起的误差) 。

随机误差来源种类及消除方法:

( 1 ) 由衡器引起的误差，标准 GB /T 17612—1998 中给出了估算方法。

( 2)  由换向器引起的误差，取消换向系统可以消除该误差。

1． 2 动态称重法

1) 基本原理。如图 2 所示，其工作过程为: 当收集在容器内的液体到达预定初始质量时启动计时器。当被收集的液体到达预定的终质量时停止计时器。其计算公式也为式( 1) 、式( 2) 。

2) 误差分析。由于动态称重法不使用换向器，故不会产生静态称重法中提到的误差。不过动态称重法会产生静态称重法中的误差，消除方法前面已经提到。动态称重法还受到以下四个动态现象影响，可能引入新的误差:

( 1) 在初与终的称重点之间注入液体冲击力的变化。

( 2)  由于容器中液位升高所形成的注入液柱，是容器收集到额外的液体量。

( 3)  容器中液体波动所引起的力。

( 4) 衡器和称重容器内液体的惯性变化，其结果是使平衡杆秤加速到计时器启动点所需的时间发生变化。

总体上看，(1) 、( 2) 两项产生的力大小相等而方向相反，可以抵消。而容器中为浓密膏体的情况下，如果不产生明显的波动，则( 3) 项引起的误差较小。标准中基于平衡杆秤尺寸参数，给出了 ( 4) 项引入的计时近似误差 t 的估计公式，且 t的大值为 0． 5% 。另外，使用其它称重技术替代平衡杆秤，可以消除第( 4) 项引入的误差，即四种动态现象对计时的影响都有条件消除或忽略不计。

1． 3 适用性分析

将以往浓密膏体特性研究实验中使用的称重法与上述两种方法比较，其原理符合静态称重法，但实验中采用人工计时，不符合标准中自动触发计时器的规定，须改进计时方法提高测量准确度，达到能够用于校准工作的精度。

2.容积法

容积法分为静态容积法和动态容积法，其测量装置同图 1 和图 2，只是将衡器换作量筒。根据标准 GB /T 3214—2007《水泵流量的测量方法》计算公式如下:

式中，Vr 为在 t 时间内注入量通内的液体体积。

由于浓密膏体含固量较高时，常温常压下不具有流动性，无法自然形成平整的液面，不适宜用量筒测量其体积。但浓密膏体含固量较低时，具有一定的流动性，可以使用具有体积测量功能的容器 ( 量筒等) 测量所收集的浓密膏体的体积，再利用式( 3) 算出体积流量。

这种方法的缺点是只适用于含固量较低、具有一定流动性的浓密膏体，而优点是省去了质量到体积的换算过程，消除了密度测量带来的误差。

3.标准表法

标准表法的原理主要是依据流体力学流量连续性方程。若一台标准表与被校验流量计( 简称被校仪表) 串联，使校准流体在相同时间间隔内连续通过标准表和被校仪表，任何时刻流过两台表的质量流量 Qm 是相等的，忽略通过两表流体密度的差异，认为任何时刻流过两台表的体积流量 Qv 是相等的。同时读取标准表和被校仪表的读数，比较两者的输出流量，从而确定被校仪表计量性能P。

设 K 为标准仪表数据与被校仪表数据的比值，即仪表系数:

式中，Qvs 为标准表测量的体积流量; Qvt 为被校仪表测量的体积流量。

分析以往浓密膏体管道输送实验的数据，可得出浓密膏体管道流量测量装置的精度等级为1． 0，故校准浓密膏体管道流量测量装置须采用精度等级高于 1． 0 的仪表，至少为 0． 5，高两级以上 ( 即高于0． 1) 为佳。由于浓密膏体的含固量高、电导率低、流速慢，目前只有含固量低于 63% 的煤泥能够，用电磁流量计测出流量 并且精度等级为 0． 5。

因此，该方法也是有条件的适用，不是适用。

4.标准体积管法

标准体积管法是由液体驱动并沿着标准容积段移动的球形或圆柱体物体，当它通过标准容积段时，能置换出两个检测开关之间已知体积的液体。置换器具有与管壁紧密接触的弹性密封面，以防止液体的漏失，分为球式和活塞式。该方法早应用于石油行业，标准亦是由石油行业标准升级而来。

1988 年的标准 GB /T 9109． 3—1988 《原油动态计量 固定式标准体积管安装技术规定》中大篇幅介绍了球式标准体积管，仅在后提到了一款从国外引进的活塞式标准体积管，可见当时国内该方法的校准大多使用前者，而后者只有进口设备。到了1998 年，标准 GB /T 17286． 4—1998 《液态烃动态测量 体积计量流量计检定系统》中就已经详细规范了活塞式标准体积管，同一时期还涌现了许多相关论文，后来诞生了一些相关专li，可见在国内活塞式逐渐成为该方法的主流。

4． 1 球式

图 3 为 GB /T 13282—1991 《体积管式流量测量校准装置》中描述的球式标准体积管法原理图。利用球式置换器将两个检测开关间标准体积管中的液体排出，并测量两个检测开关传出信号的间隔时间，则体积流量 qv 为:

4． 2 活塞式

图 4 为实用新型专li201120316770． 9 公布的一种活塞式标准体积管，其原理正是利用活塞作为置换器，将标准体积管中的液体排出。若已知液体排出的启停时间间隔 tp ，标准体积管的体积为 Vp ，则体积流量 qv 为:

4． 3 适用性分析

由于浓密膏体管道输送的驱动设备为活塞泵，可见活塞式标准体积管法用于浓密膏体也是可行的。该方法体积数据精度由标准容腔来保证，避免了测量的不确定性，校准时只产生计时误差，精度较高。另外，活塞式操作自动化程度高，是校准的较佳仪器。

5.结语

1) 通常一个工厂一段时间内生产出的浓密膏体的物理特性应是相对稳定的，故浓密膏体管道流量测量装置校准时要采用使用地产出的浓密膏体，才能保证测量输出的准确性。这就要求所选用的校准方法能够适应不同物理特性的情况，包括不同的含固量、不同的电导率及不同的流动性等。因此，在一定物理特性条件下才能适用的方法不能满足浓密膏体管道流量测量装置的校准工作。通过研究分析，四种校准方法中，只有称重法和标准体积管法可以满足上述要求。

2) 根据标准提倡使用衡器的精神，采用电子秤代替称重法标准举例中的杆秤，可以消除一部分误差，提高测量精度，而改进后的称重法不仅可以直接用于浓密膏体研究领域实验数据的测量，而且可以作为其工程领域流量测量装置的可靠校准方法。

3) 目前没有专门使用浓密膏体进行校准的标准体积管，一方面可以考察其他领域使用的设备是否可以直接引入本领域使用，另一方面可以设计本领域适用的标准体积管，但该校准设备必须要经过检定认可。