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試論流量儀表標準檢測件和非標準檢測件的區分


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試論流量儀表標準檢測件和非標準檢測件的區分
重慶工業自動化儀表研究所 孫淮清
【摘 要】 近年國內流量行業盛行用非標準檢測件代替標準檢測件,無疑,非標準檢測件有某些優點為用戶所青睞是主要原因,但應看到非標準檢測件在現場使用中所存在的風險,由于現場影響量的不確定性使非標準檢測件的實驗室準確度偏離現場準確度。對準確度有嚴格要求的場合應特別注意此問題。文章試論標準檢測件與非標準檢測件的區分就是試圖提醒用戶們注意,以免誤入了陷阱。
【關鍵詞】 標準檢測件 非標準檢測件 現場影響量 實驗室準確度 現場準確度
近年國內流量儀表行業不斷掀起一股股推介流量儀表非標準檢測件熱潮,幾年前是V形內錐(Vcone)檢測件,近來是多孔平衡節流裝置(A+K平衡流量計)等等,這些新型檢測件無疑具有一些重要特點:如無需較長的安裝直管段、壓損較低、抗臟污耐磨蝕、范圍度較寬等,這些優點大都是與標準檢測件——標準孔板相比較而言的,因此有專家預言:這些非標準檢測件是老一代標準檢測件的更新換代產品,困擾人們的一系列流量測量難題將迎刃而解,預言能否實現、實際的發展前景如何皆是人們感興趣的問題。
目前流量儀表標準檢測件僅為ISO5167和ISO9300中列舉的幾種:孔板、噴嘴、文丘里管、臨界流文丘里噴嘴等。而其余幾十種或幾百種流量檢測件應該列為非標準檢測件。但是在實際使用中標準檢測件的用量卻占大多數(50%以上),為什么會出現這種現象是值得人們深思的問題。本文試圖剖析標準檢測件和非標準檢測件的區分,說明兩者質的差別是其用量反差的主要原因。非標準檢測件的出現是流量儀表發展生命力強盛的表現,不重視、不重用非標準檢測件是與科技發展背道而馳的,但是不重視非標準檢測件的不足,不盡力扶持非標準檢測件向標準型轉變會對儀表使用造成莫大的損害又是必須認識的事實。
筆者認為流量行業應統籌加大非標準檢測件科研開發力度,使其盡快向標準型過渡,使流量測量水平更上一層樓。
一、標準檢測件的特點
ISO5167和ISO9300是標準檢測件的國際標準。由標準文件中,我們可以發現標準檢測件有三個主要特點:
1.結構形式和技術要求標準化
標準中詳細列舉每一種檢測件的結構形狀參數和加工技術要求,這些規定得到國際權威標準和計量機構的確認,全世界流量界采用同樣的參數,因此其測量結果得到一致的認可。更為重要的是,對標準檢測件科研及應用的數據可以匯聚在一起,使數據的范圍大為擴展,可靠性和可信度都大為提高。我們應該注意例如V形內錐檢測件由于其結構形式和技術參數未標準化,各試驗研究者和應用者的數據是不能匯聚在一起的。試想一想,由全世界全社會積聚的數據與個別廠家或科研群體提出的數據無論其廣度和深度以及可靠度、可信性怎能處于同樣質的等級呢?
2.標準列出檢測件的流出系數和可膨脹性系數計算式
流出系數c和可膨脹性系數ε是檢測件的主要修正系數,在流量關系式里只要知道此二系數,就可得出流量與信號(差壓)的關系。對于非標準檢測件此二系數必須在流量標準裝置上逐臺實流校準得到,它們不是通用計算式,即使是用同樣圖紙制造的亦必須逐臺校準。從ISO5167標準孔板流出系數計算式的產生過程我們可以更深刻了解標準檢測件和非標準檢測件流出系數產生過程的差別。
ISO5167:2003(E)中標準孔板流出系數計算式是在繼承20世紀70年代以前流出系數計算式長期發展的基礎上再結合80年代美國和歐洲實行的對孔板流量計進行的大規模試驗總結而得的。美國為API實驗計劃,歐洲為EEC實驗計劃。兩個實驗計劃參加的有美國和歐洲最著名的11個流量實驗室。歷時12年才完成,共累積16376個試驗點的數據,其中介質為油的有1889點,水的有8616點,氣體的5871點,試驗的參數為D:52mm~586 mm;β:0.1~0.75;d:12.5mm~440mm;ReD:400~5.3×107。上述試驗數據稱為回歸數據庫,用數理統計的回歸分析法求得流出系數的函數關系式。
修訂的新標準ISO5167:2003(E)流出系數和可膨脹性系數計算式的更新是主要的修訂內容之一,新標準流出系數計算式用里德——哈利斯/加拉赫(Reader—Harris/Gallagher)公式(簡稱RG公式)代替斯托爾茲公式(stolz公式)。API和EEC實驗計劃嚴格按照標準規定的條件進行,孔板的同心度、平直度、開孔直徑、表面粗糙度、入口邊緣銳利度等都定量測定,對于測量管,其圓度、管徑、間距及管壁粗糙度也定量測定。試驗是隨機進行的,以消除實驗室的系統偏差,隨機試驗保證了對試驗誤差的有效估計,并可進行顯著性、置信度和與時間有關的分析等統計檢驗。對相互獨立的二重變量數據點(C、ReD)進行重復試驗,以測定其準確度,并估計可能影響最終結果的非控制變量。由上述可見,標準檢測件流出系數計算式的產生過程與非標準檢測件的實流校準兩者測試的水平是完全不一樣的。
3.現場影響量的試驗廣泛而深入
流量儀表在流量標準裝置上實流校準后得到實驗室準確度,儀表投用現場,由于安裝使用及流體條件的變化,流量計測量準確度變為現場準確度,實驗室準確度和現場準確度的差別是因為現場使用條件變化而產生的,這些變化因素稱為現場影響量。標準檢測件影響量的試驗研究是保證現場使用達到預期準確度的重要內容,它是隨著檢測件應用領域擴展而不斷增加的。目前全世界關于標準孔板影響量的研究試驗資料可以說汗牛充棟,我們稱它為標準孔板的軟實力,在各類流量檢測件中它是居于首位的。在ISO5167:2003(E)中可以見到現場影響量的試驗研究成果——關于檢測件與阻流件之間所要求的直管段長度,成果有詳盡的表列值,這些內容在即使有國際標準的其它類型流量計如渦輪、電磁、科氏質量流量計亦是見不到的,它說明在抑制非充分發展管流的影響量試驗中,其它類型流量計尚不完善和成熟。
標準檢測件的三個特點產生二種使用特性:
①檢測件無須實流校準,可依據檢測件的結構形狀及技術要求以及流體特性求得流量與信號的關系及其測量不確定度;
②流量計投用現場后,由于使用條件偏離標準的規定,可利用影響量試驗研究資料進行修正(或補償)。
上述二特性是標準檢測件和非標準檢測件的主要差別,亦是標準檢測件能獲得用戶大部分用量的原由。非標準檢測件是否晉升為標準檢測件可用上述二特性來衡量。
二、非標準檢測件的發展問題
在流量儀表檢測件中非標準檢測件是占絕大多數的,在實際應用中是不可或缺的,目前涉及準確計量的貿易交接應用非標準檢測件日益普遍,其存在的問題應引起重視,本文開頭所舉的V形內錐和多孔節流裝置即為突出的實例。非標準檢測件向標準型轉換是性能質的提升,需進行大量試驗研究工作,另外,還存在晉升是否存在可能性的問題,以下我們對達到標準檢測件三個特點的發展問題作一探討。
1.結構形式和技術要求標準化的問題
非標準檢測件結構形式和技術要求標準化可分為三種類型:①適宜標準化;②部分類型可標準化;③不宜實施標準化。
①適宜標準化:如渦街、環形孔板、靶式等。渦街流量計在發展之初人們就認為它的特點與孔板極相似,適宜實行標準化,并將成為“數字孔板”,有朝一日會代替標準孔板成為普遍應用的檢測件,經多年實踐,人們逐漸認識到渦街自有其局限性,代替孔板并不可取。2002年日本工業標準JISZ 8766:2002提出旋渦發生體結構形式和技術要求的標準,標準旋渦發生體為三角柱形,它是目前最通行的結構形狀,具有廣泛的代表性。應該指出,確定結構形式僅是檢測件標準發展的第一步,它相當于孔板在20世紀30年代標準化開始的水平,自那以后,孔板經幾十年的發展,特別是1980年~1990年的一次大規模實驗研究才形成目前標準孔板(ISO5167:2003(E))的水平,由此可見,渦街流量計今后的標準化工作仍然任重道遠。靶式流量計檢測件靶板基本形狀在幾十年前已經形成。美國Foxboro公司曾提出其流出系數計算式,但是國際上對此類流量計似乎冷落些。靶板其實亦是一種環形孔板,它是屬于繞流裝置而不是節流裝置,繞流裝置的一個優點即為檢測件受阻流件的干擾較小,因而無需太長的直管段長度,V形內錐亦屬于繞流裝置一類的檢測件。
②部分類型可標準化:電磁和超聲流量計是屬于此類型。電磁和超聲流量計已成為流量儀表的主力儀表,我們應該更關注其標準化的發展可能性。由于二類儀表在寬泛領域應用,其結構形式及規格極其繁多,是否應該選擇若干具有廣泛代表性的結構形式和技術要求予以標準化,但不限制其它類型的多樣化發展,二類流量計的標準化主要是給用戶帶來應用的利益,例如無須逐臺校準,現場影響量的修正有資料參考等。
③不宜實施標準化,如渦輪、科氏質量流量計等。結構類型的創新是此類流量計發展的動力,標準型有抑制創新之嫌,是否不宜實施標準化擬或與電磁超聲一樣可選若干種類標準化再深入探討之。
2.流出系數計算式的建立
流出系數計算式建立首先要建立計算式回歸數據庫,而數據庫應包括廣泛的測試參數如流體介質、口徑、工作狀態(壓力、溫度)和雷諾數范圍等。數據庫數據的測試應多家實驗室參與以避免實驗室的系統偏差。從標準節流裝置的發展歷史可見,此項工作由全社會來負擔比較合適。由此可見,如果沒有結構形式和技術要求的標準化,并且分布于全社會,這一步是無法進行的。目前有些檢測件生產廠用花樣翻新來保持其競爭優勢,如均速管檢測件,其發展與標準化背道而馳,在無法標準化情況下,又由于經濟技術原因不能逐臺實流校準,最終受害的只能是廣大用戶。
3.現場影響量的試驗研究問題
現場影響量的試驗研究是檢測件發展中最為繁重的任務,花費的人力物力最多,只有經過長期的理論與實踐的積累才能得出現場影響量的修正系數。檢查某一類流量計投用的成熟程度可以查看它積累的資料情況而定。現場影響量主要內容有:非發展管流干擾、非定常流干擾、流體性狀問題以及工作狀態的影響等。
現場影響量試驗研究工作量極其龐大,檢測件標準化的意義在于可使此項工作由全社會來負擔,不同研究者的資料可匯聚在一起,標準節流裝置的發展歷史證明這個結論。
三、小結
1.目前標準檢測件只包括ISO5167和ISO9300中的幾類檢測件,盡管渦輪(ISO2715,ISO9951),電磁(ISO6817,ISO 9104)和科氏質量(ISO10790)等流量計皆頒布有國際標準,但這些類型流量計標準中見不到標準化的三個特點,因此,它們仍然是非標準檢測件。
2.流量儀表檢測件標準化的重要意義在于它可以比較可靠地確定現場準確度。非標準檢測件實流校準的流量標準裝置的條件是理想化的現場條件,條件偏離是普遍性的,非標準檢測件在現場會遇到一些不確定性,亦即存在使用的風險,無論生產廠或用戶都應該關注這個問題。
3.檢測件標準化其意義在于在全部時間和空間中它們的試驗研究可以匯聚在一起,這樣它的成熟程度是愈來愈高了,非標準檢測件沒有這個特點,因此其數據的可靠性、可信度都是不高的。
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