标准孔板应用中的误差分析

　　0　概述

　　以标准孔板做为节流件的节流装置,被广泛应用于管路中各种介质的流量测量,特别是对于高压头、大流量的气体流量测量(天然气、煤气、过热蒸汽等),这种计量器具几乎是唯一的选择。关于标准节流装置,我国于1978年在ISO/R的基础上制定和通过了节流装置国家标准(BG2624-81)和石油部(LSL04-83天然法标准孔板计量方法),1994年又在GB2624-81的基础上制定和通过了(GB/T2624-93)国家标准,进一步规范了标准节流装置的设计、安装和使用条件,及其在该条件下流量测量总不确定度的估算方法。即标准节流装置是根据被测介质特定的压力温度流量参数为设计参数而设计的,但在标准孔板的应用中,经常会发生被测介质的有关参数偏离其设计值,在此情况下,该如何评定其误差大小呢?作者结合多年的检定工作实践,做了如下浅析。

　　1　在规范条件下的误差分析

　　依据标准节流孔板的工作原理,应用流体力学的连续性方程和伯努利方程,可导出流量的基本计算公式:

　　式中,Qm为流体质量流量(kg/s);α为工作状态下的实际流量系数(纯数);ε为流束膨胀系数(纯数);d为工作状态下孔板直径(m);ρ1为工作状态下孔板上游侧的介质密度;ΔP为孔板上、下游侧压差(ΔP=P1-P2)Pa。

　　应用函数误差传递原理,并假定自变量ε,ρ,ΔΡ,d相互独立(相关系数ρij=0),α与β之间存在下面的近似关系:

　　式中,A为常数β=d/D孔板开孔直径与管路内径之比,各误差分量皆按服从态分布规律的随机误差考虑,可导出流量测量标准偏差的相对值为:

　　流量测量的随机不确定度(用相对值表示)

　　依照JTG640-94节流装置的检定规程所给定的方法,分别确定(估计)出各个自变量D、d、ΔP、ρ1、α、ε及相应的标准偏差σD、σd、σΔP、σρ1、σα、σε的大小,便可以95%的可信度估算出流量测量的不确定度(偏离实际值的范围)在上面的诸参量中,D、d、ΔP、ρ1为直接测量值,而α和ε是间接测量值,且α值不但与雷诺数有关还与节流装置的形式、几何形状、管道条件等有关;ε值不但与节流件形式、压力比有关,且还与被测气体的等熵指数K及直径比B相关。因此为了保证流量测量的准确度,对影响α、ε的所有因素都须考虑,由于这些因素相互之间都有依赖关系,为了消除或减少其影响,需要对测量条件提出严格地规定,即不但在动力学上必须相似(雷诺数相同),还要保证节流件几何形状相似,即保证孔板的几何尺寸,一定要严格满足国际规范的要求,除了孔板开孔直径d和管路内径D值直接影响流量测量准确度外还需直接测量孔板前后面的不平直度、表面光洁度、平行度、开孔圆筒部分长度、边缘圆弧半径、管道直度、粗糙度、孔板在管道中的垂直度和同轴度等,孔板几何尺寸的检测并满足国际要求,是保证其流量准确度最基本最主要的工作,也是应用上述误差公式估算流量测量不确定度的前提条件(目前国外一些企业就是用几何尺寸法来评定其流量精度的)。