圖2Bergum高壓檢測(cè)裝置的平面示意圖。用于控制低流量的音速噴嘴用SN表示，HE為換熱器
3.Westerbork的高壓檢測(cè)裝置
本文撰稿時(shí)，Westerbork的檢測(cè)裝置是世界上具有最高流量的裝置。流經(jīng)該裝置的天然氣在大約60bar的壓力條件下最大量為2.4×104。該裝置歸屬于Casunie所有，部分時(shí)間用于由Casunie進(jìn)行的研究工作，而部分時(shí)間則用于由荷蘭計(jì)量院進(jìn)行的檢定工作。該檢測(cè)裝置靠近從Slochteren氣田到Ommen混輸站的兩條大口徑氣管線(1050mm和1200mm)。在校準(zhǔn)過程中，這些輸氣管線中的氣體流經(jīng)檢測(cè)裝置的旁通(見圖3)。經(jīng)過測(cè)試裝置的流量由旁通節(jié)流進(jìn)行控制。氣體首先通過該裝置的10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)。這些標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)為渦輪氣體流量計(jì)，最大通過能力為4000m3/h，因此，在實(shí)際條件下的最大通過能力為40000m3/h。這種最大的氣體流量只有在荷蘭寒冷季節(jié)，氣體消耗量相當(dāng)大時(shí)才能達(dá)到。
該氣體經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)后又流經(jīng)兩個(gè)測(cè)試管中的其中一條。一條檢測(cè)管線用于直徑達(dá)到400mm的氣體流量計(jì)。而第二條管線通常用于直徑為500mm或更大直徑的流量計(jì)。在這個(gè)裝置上可進(jìn)行2個(gè)或3個(gè)串聯(lián)流量計(jì)的校準(zhǔn)。由于該檢測(cè)裝置實(shí)際上是兩條主要輸氣管線的旁通，因此，只有在管線壓力約為60bar時(shí)方可進(jìn)行校準(zhǔn)工作。
曾在Westerbork校準(zhǔn)的最大氣體流量計(jì)是兩臺(tái)美國的900mm(36in)文丘里管。1992年1月，采用約為2.0×106的最大氣體流量對(duì)這些文丘里管進(jìn)行了校準(zhǔn)。
圖3Westerbork高壓檢測(cè)裝置平面示意圖
三、NMi低壓校準(zhǔn)裝置
與Westerbork非常高的流量相反，位于Dordrecht的新型低流量檢測(cè)裝置特定用于校驗(yàn)最大流量為3m3/h的氣體流量計(jì)。低流量裝置的操作范圍為2×10-5～3m3/h?？蛇M(jìn)行校準(zhǔn)的儀表為濕式檢測(cè)儀表、旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)、質(zhì)量流量控制器、可變面積流量計(jì)(轉(zhuǎn)子流量計(jì))、熱質(zhì)量流量計(jì)、皂膜流量計(jì)、醫(yī)用呼吸設(shè)備檢測(cè)器及汞密封活塞標(biāo)準(zhǔn)體積管。
圖4給出的示意裝置包括4個(gè)汞密封活塞標(biāo)準(zhǔn)體積管，它們作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)使用；4個(gè)質(zhì)量流量控制器，它們產(chǎn)生一個(gè)恒定的質(zhì)量流量；還有一臺(tái)被檢測(cè)的流量計(jì)。這些標(biāo)準(zhǔn)體積管的標(biāo)稱容量分別為60mL、480mL、3500mL和13000mL。實(shí)質(zhì)上，一個(gè)質(zhì)量流量控制器包括一個(gè)控制閥，該閥形成一定的質(zhì)量流量；一臺(tái)熱質(zhì)量流量計(jì)及一個(gè)反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)將實(shí)際質(zhì)量流量與預(yù)設(shè)質(zhì)量流量相比較且對(duì)控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用熱敏電阻測(cè)量汞密封活塞標(biāo)準(zhǔn)體積管入口處及被檢測(cè)流量計(jì)的溫度。采用一個(gè)單獨(dú)壓差變送器可測(cè)出管入口及被測(cè)試流量計(jì)的壓力與環(huán)境壓力的差值。測(cè)量時(shí)采用2個(gè)三通閥。過壓保護(hù)裝置可避免壓力傳感器的壓差太高。
汞密封活塞標(biāo)準(zhǔn)體積管由一個(gè)立式精確玻璃管組成，該玻璃管具有恒定直徑和一個(gè)平滑的表面，它置于一個(gè)支架上，該支架有分開的入口和出口連接管。此玻璃管的頂部有一個(gè)開式接管，與大氣相通。玻璃管內(nèi)有一個(gè)活塞，它可以上下移動(dòng)，此活塞為玻璃纖維復(fù)合材料。它的外側(cè)有一個(gè)凹槽，槽內(nèi)充滿了汞，大大減小了玻璃管和活塞間的摩擦。為了提供一個(gè)較穩(wěn)定的溫度，最小的玻璃管還配備了一個(gè)水套。
緊挨著玻璃管，安裝了五對(duì)紅外線變送器和接收傳感器(S0～S4)。該變送器給接收器發(fā)送已調(diào)制的紅外線光，當(dāng)光束被活塞中斷時(shí)，則產(chǎn)生一個(gè)脈沖。最低的傳感器S0是一個(gè)啟動(dòng)傳感器，它開始一個(gè)外部時(shí)間測(cè)定。從S1～S3中選定一個(gè)停止傳感器來中止時(shí)間測(cè)定。
圖4Dordrecht低流量檢測(cè)裝置的平面示意圖。該裝置包括4個(gè)汞密封活塞體積管(PP1～PP4)，4個(gè)質(zhì)量流量控制器(MFC1～MFC4)及一個(gè)差壓變送器(△P)。序號(hào)1～19是指由計(jì)算機(jī)操作的閥門，H1和H2為手動(dòng)操作閥門，S0～S4為紅外線傳感器，溫度變送器用Ti標(biāo)示
鑒于啟動(dòng)傳感器與S1～S3停止傳感的每一個(gè)傳感器間的容積是已知的，因此可計(jì)算出流量。S4是一個(gè)安全傳感器，由它打開管子出口閥，從而放掉玻璃管中的空氣。這種預(yù)防性措施可防止活塞從管中噴出且避免實(shí)驗(yàn)室中汞溢出。
采用低流量檢測(cè)裝置進(jìn)行的校準(zhǔn)過程如下。單個(gè)使用質(zhì)量流量控制器(圖4中的MFC1～MFC4)或聯(lián)合起來使用以建立一個(gè)預(yù)定的質(zhì)量流量。將流量導(dǎo)入被檢測(cè)的流量計(jì)。質(zhì)量流量控制器需要三分鐘穩(wěn)定時(shí)間才能建立起相當(dāng)穩(wěn)定的流量。一旦穩(wěn)定后，該穩(wěn)定流量由被檢測(cè)的流量計(jì)進(jìn)行測(cè)定。然后，將該流量引入汞密封活塞標(biāo)準(zhǔn)體積管中。這時(shí)，質(zhì)量流量則采用該體積管進(jìn)行測(cè)定。然后，再由被檢測(cè)的流量計(jì)和汞密封活塞體積管測(cè)量一次。將這兩個(gè)測(cè)量值進(jìn)行比較看看流量條件是否足夠穩(wěn)定。最后，再將汞密封活塞體積管和被檢測(cè)儀表的讀數(shù)進(jìn)行互相比對(duì)，從而計(jì)算出后者存在的誤差。
除空氣外，任何其他氣體均可用來進(jìn)行校準(zhǔn)，只需接上適當(dāng)氣體的汽缸即可。當(dāng)整個(gè)裝置徹底清洗后，該裝置便可進(jìn)行校準(zhǔn)了。汞密封活塞體積管顯示出的容積不受所采用的氣體類型的影響。側(cè)記，有腐蝕性、有毒的或反應(yīng)性氣體或爆炸性氣體混合物則不能使用。
不同質(zhì)量流量之間的長穩(wěn)定時(shí)間需要一臺(tái)自動(dòng)化裝置來控制。該裝置的中央有一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)，它通過一個(gè)IEEE接口來操作數(shù)據(jù)采集和控制裝置。用數(shù)據(jù)采集和控制裝置來操作質(zhì)量流量控制器和所有的閥，進(jìn)行溫度和壓力測(cè)量，并且對(duì)活塞體積管和被檢測(cè)流量計(jì)的脈沖信號(hào)進(jìn)行定時(shí)。自動(dòng)化的其他優(yōu)點(diǎn)是常規(guī)校準(zhǔn)無人值守、校準(zhǔn)自動(dòng)進(jìn)行，其中4個(gè)汞密封活塞體積管還可自動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn)值的互相比對(duì)。
四、溯源性和校準(zhǔn)
所有高壓氣體校準(zhǔn)裝置均可溯源至低壓溯源鏈末端的3.5m3的鐘罩。圖5給出了目前低壓溯源鏈的狀況。低壓溯源鏈構(gòu)成了高壓溯源鏈的基礎(chǔ)。每個(gè)校準(zhǔn)步驟中都列出了進(jìn)行校準(zhǔn)的壓力和體積流量。值得注意的是支持3.5m3鐘罩的校準(zhǔn)有2個(gè)單獨(dú)的溯源鏈，第一個(gè)鏈?zhǔn)加诨A(chǔ)校驗(yàn)系統(tǒng)?？勺匪莸劫|(zhì)量基準(zhǔn)。第二個(gè)鏈則始于低流量檢測(cè)裝置，可追溯到長度基準(zhǔn)。
圖5荷蘭低壓氣體流量標(biāo)準(zhǔn)的溯源鏈。圖中運(yùn)輸車上帶圓圈表示的是傳遞標(biāo)準(zhǔn)
對(duì)于汞密封活塞體積管的校準(zhǔn)，管式傳感器間的體積容量可分兩步進(jìn)行。第一步是在2個(gè)垂直方向，管子總長度的20個(gè)不同的截面積來測(cè)量管內(nèi)徑。這些校準(zhǔn)是采用配有一個(gè)觸模式探頭的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行的。該測(cè)量方法的不確定度用雙標(biāo)準(zhǔn)偏差值表示時(shí)為5μm。
第二步是確定起始傳感器S0與停止傳感器S2之間的距離。此端頭采用一個(gè)高差計(jì)。這是一個(gè)立式安裝的長度刻度計(jì)，配有一個(gè)視窗，視窗上有十字絲，它可以沿著刻度移位。連接到視窗上的游標(biāo)尺可用來精確讀出視窗的位置。高差計(jì)和汞密封活塞體積管是并行設(shè)置的，利用視窗可讀出活塞的位置。為了觀測(cè)傳感器開關(guān)的動(dòng)力扭矩，在該傳感器的輸出裝置上接裝了一個(gè)LED(發(fā)光二極管)。這時(shí)可極小心地將該活塞移到傳感器動(dòng)作的高度，然后從視窗讀出該位置。按這種方法便可確定S0和S3的位置。啟動(dòng)傳感器S0與兩個(gè)其他傳感器S1和S2之間的體積容量可通過在恒定質(zhì)量流量條件下對(duì)活塞S0和S1、S2及S3之間的運(yùn)行時(shí)間的相互比對(duì)計(jì)算出來，這一步驟被稱為復(fù)制。
這樣一來，三個(gè)較大體積管中每個(gè)體積管的平均管直徑、S0和S3之間的距離及相應(yīng)的測(cè)量體積容量便可計(jì)算出來。最小體積管的傳感器間的體積容量可通過復(fù)制尺寸上僅大于它的體積管進(jìn)行確定。從初步的不確定度分析可獲得由雙標(biāo)準(zhǔn)偏差表示的下列數(shù)值。對(duì)于最小汞環(huán)活塞體積管，該低流量檢測(cè)裝置的總不確定度約為0.2%；而對(duì)于其他體積管來講則約為0.15%。
五、校準(zhǔn)條件與操作條件有差異時(shí)
毫無疑問，在操作條件下進(jìn)行校準(zhǔn)是校準(zhǔn)的最佳方式，然而，并不是總能用理想的流體進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)于氣體流量計(jì)，大多數(shù)檢測(cè)裝置都采用空氣進(jìn)行校準(zhǔn)，有時(shí)有壓力，多數(shù)情況下是在常壓條件下檢定。本文所述的高壓檢測(cè)裝置是在有壓力條件下采用天然氣進(jìn)行檢定的，這對(duì)于那些將流量計(jì)用于天然氣計(jì)量站的公司具有很大的優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于采用乙烯作為檢定流體的氣體流量計(jì)的校準(zhǔn)，可采用DSM和Shell的檢測(cè)裝置，由荷蘭計(jì)量院對(duì)這些校準(zhǔn)進(jìn)行鑒定。在Dordrecht的低流量檢測(cè)裝置上，可采用各種各樣氣體進(jìn)行校準(zhǔn)。
對(duì)測(cè)量蒸汽、氮?dú)狻⒍趸?、氫氣等的氣體流量計(jì)的校準(zhǔn)要求在不斷增加。由于采用這些氣體進(jìn)行大規(guī)模校準(zhǔn)的設(shè)施并不多，因此采用另一種流體進(jìn)行校準(zhǔn)幾乎是唯一的選擇，且在許多情況下是一種合理的、可替代的選擇。
如果流動(dòng)條件可以估算出來，那么就可以在與操作條件不同的條件下對(duì)流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，估算流動(dòng)條件所采用的參數(shù)通常為關(guān)于該流量計(jì)入口直徑的雷諾數(shù)。
首先，將操作條件范圍轉(zhuǎn)換為雷諾數(shù)范圍。其次，所選定的校準(zhǔn)設(shè)備要符合所規(guī)定的雷諾數(shù)范圍。然后，在不同的壓力條件下或采用不同的氣體進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)雷諾數(shù)繪制流量計(jì)的誤差或流出系數(shù)的曲線圖。然后檢查該流量計(jì)的曲線是否與雷諾數(shù)的重疊范圍相一致。如果一致，則采用內(nèi)插法從校準(zhǔn)曲線推知操作條件的誤差曲線。如果曲線圖不吻合，就必須斷定出是被檢測(cè)流量計(jì)出故障還是該雷諾數(shù)不是被檢測(cè)流量計(jì)適當(dāng)?shù)臋z定系數(shù)。
該方法通常稱之為雷諾內(nèi)插法，可能適用于諸如渦輪流量計(jì)、孔板及噴嘴之類的流量計(jì)，這些流量計(jì)在流量的雷諾數(shù)和流量計(jì)誤差或流出系數(shù)之間已形成了相關(guān)性。
在一定精度等級(jí)范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)的雷諾特性是眾所周知的。同樣，某些種類的渦輪氣體流量計(jì)的特性也是已知的。在某些情況下，有必要在進(jìn)行最終校準(zhǔn)之前先進(jìn)行幾次測(cè)試以鑒定該流量計(jì)的運(yùn)行情況是否符合雷諾定標(biāo)系數(shù)。將來，還需要做一些工作來鑒定渦流擋板流量計(jì)的性能，并確定高壓氣體情況下超聲波流量計(jì)和互補(bǔ)式流量計(jì)的性能。
六、結(jié)論
荷蘭計(jì)量院以汞密封活塞標(biāo)準(zhǔn)體積管作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)一種新型低流量檢測(cè)裝置進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是：
1、操作范圍高：2×10-5～3.5m3/h；
2、可進(jìn)行許多不同類型流量計(jì)的校準(zhǔn)；
3、該裝置可采用任何氣體進(jìn)行校準(zhǔn)，只要?dú)怏w不是侵蝕性、有毒的、腐蝕的或爆炸性氣體。
4、汞密封活塞體積管可進(jìn)行自動(dòng)操作及自動(dòng)相互對(duì)比。
最小汞密封活塞體積管和三個(gè)其他體積管的初步不確定度數(shù)分別約為0.20%和0.15%。該檢測(cè)裝置的局限性是標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的操作壓力接近于環(huán)境壓力。
對(duì)于高壓和高流量條件下的校準(zhǔn)，Bergum和Westerbork的高壓檢測(cè)裝置可提供較高的壓力范圍9～60bar和流量范圍45～2.4×106。這些裝置在操作條件下采用天然氣進(jìn)行校準(zhǔn)。
考慮到壓力范圍不同及所采用的氣體類型的差異，作業(yè)線路條件可以不同于現(xiàn)有的校準(zhǔn)條件。對(duì)于這些情況，可采用所謂的雷諾插值方法。這種方法可適用于流量雷諾數(shù)和儀表誤差或排放系數(shù)之間已建立了相關(guān)性的流量計(jì)。