濃密膏體管道流量測(cè)量裝置是專為濃密膏體領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究和工程需要研發(fā)的一種流量計(jì)，該流量計(jì)必須要經(jīng)過(guò)定期校準(zhǔn)才能投入使用。為找到適于濃密膏體管道流量測(cè)量裝置使用的校準(zhǔn)方法，分析了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法( 稱重法、容積法、標(biāo)準(zhǔn)表法和標(biāo)準(zhǔn)體積管法) ，通過(guò)分析比較，***終得出只有稱重法和標(biāo)準(zhǔn)體積管法能夠適應(yīng)不同含固量、不同電導(dǎo)率及不同流動(dòng)性的濃密膏體，故建議此兩種方法作為濃密膏體管道流量測(cè)量裝置校準(zhǔn)的方法。

0.引言

濃密膏體具有含固量高、黏度大、顆粒細(xì)、電導(dǎo)率低、管道輸送流速慢等特點(diǎn)，目前難以用已知的各種流量計(jì)來(lái)測(cè)量。迫于工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)研究的需要，自主研發(fā)了一種濃密膏體管道流量測(cè)量裝置 。該裝置本質(zhì)上是一種通過(guò)測(cè)量流速得到流量的速度式流量計(jì)。為改善輸出精度，每一臺(tái)流量計(jì)在出廠使用前必須要經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，故濃密膏體管道流量測(cè)量裝置也必須經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)才能投入使用。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn) GB( 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO) 規(guī)定的液體流量計(jì)校準(zhǔn)方法有稱重法( 包括靜態(tài)稱重法和動(dòng)態(tài)稱重法) 、容積法( 包括靜態(tài)容積法和動(dòng)態(tài)容積法) 、標(biāo)準(zhǔn)表法和標(biāo)準(zhǔn)體積管法。一般生產(chǎn)流量計(jì)的廠家校準(zhǔn)流量計(jì)時(shí)，用標(biāo)準(zhǔn)表法或者標(biāo)準(zhǔn)表與稱重結(jié)合的方法。為此研究分析了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)方法，并探討能適用于濃密膏體管道流量測(cè)量裝置的校準(zhǔn)方法。

1.稱重法

標(biāo)準(zhǔn) GB /T 17612—1998《封閉管道中液體流量的測(cè)量 稱重法》規(guī)定: 在已知時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)量流入稱重容器內(nèi)的流體質(zhì)量以確定封閉管道內(nèi)流體流量的方法，為稱重法。其原理又分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。只要液體的蒸氣壓力不至于使稱重容器中的液體由于蒸發(fā)而溢出的量影響所需的測(cè)量精度( 亦稱準(zhǔn)確度) ，并且確保液體充滿管線且在測(cè)量段內(nèi)不存在氣穴，就可以使用該方法。由于這種方法的度很高，故必須要知道液體密度，才能作為基準(zhǔn)的方法來(lái)校準(zhǔn)其它的質(zhì)量流量測(cè)量或容積流量測(cè)量。

1． 1 靜態(tài)稱重法

1) 基本原理。如圖 1 所示，其工作過(guò)程為: 確定容器和容器內(nèi)剩余液體的初始質(zhì)量 m0 ( 去皮) 。操作換向器使液體流入稱重容器( 直到認(rèn)為的量足以達(dá)到所要求的度) ，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器以測(cè)量注液時(shí)間 t( 放料、計(jì)時(shí)) 。確定容器和收集在容器內(nèi)液體的***終質(zhì)量 m1 ( 稱重) 。

由此，注液期間內(nèi)的平均質(zhì)量流量是 qm 為:

2)  誤差分析。僅考慮系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩個(gè)主要誤差源。

系統(tǒng)誤差來(lái)源種類及消除方法:

( 1) 由衡器所產(chǎn)生的誤差 ( 桿秤上刀口的位置、大氣浮力估計(jì)) ，采用替代稱重技術(shù)( 即電子秤)可以消除前者。

( 2)  由計(jì)時(shí)裝置所引起的誤差，若采用現(xiàn)代設(shè)備，計(jì)時(shí)誤差小于 1 ms 時(shí)可忽略。

( 3)  由換向系統(tǒng)所引起的誤差，取消換向系統(tǒng)可以消除該誤差。

( 4) 由密度測(cè)量引起的誤差( 溫度或密度測(cè)量裝置引起的誤差) 。

隨機(jī)誤差來(lái)源種類及消除方法:

( 1 ) 由衡器引起的誤差，標(biāo)準(zhǔn) GB /T 17612—1998 中給出了估算方法。

( 2)  由換向器引起的誤差，取消換向系統(tǒng)可以消除該誤差。

1． 2 動(dòng)態(tài)稱重法

1) 基本原理。如圖 2 所示，其工作過(guò)程為: 當(dāng)收集在容器內(nèi)的液體到達(dá)預(yù)定初始質(zhì)量時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。當(dāng)被收集的液體到達(dá)預(yù)定的***終質(zhì)量時(shí)停止計(jì)時(shí)器。其計(jì)算公式也為式( 1) 、式( 2) 。

2) 誤差分析。由于動(dòng)態(tài)稱重法不使用換向器，故不會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)稱重法中提到的誤差。不過(guò)動(dòng)態(tài)稱重法會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)稱重法中的誤差，消除方法前面已經(jīng)提到。動(dòng)態(tài)稱重法還受到以下四個(gè)動(dòng)態(tài)現(xiàn)象影響，可能引入新的誤差:

( 1) 在***初與***終的稱重點(diǎn)之間注入液體沖擊力的變化。

( 2)  由于容器中液位升高所形成的注入液柱，是容器收集到額外的液體量。

( 3)  容器中液體波動(dòng)所引起的力。

( 4) 衡器和稱重容器內(nèi)液體的慣性變化，其結(jié)果是使平衡桿秤加速到計(jì)時(shí)器啟動(dòng)點(diǎn)所需的時(shí)間發(fā)生變化。

總體上看，(1) 、( 2) 兩項(xiàng)產(chǎn)生的力大小相等而方向相反，可以抵消。而容器中為濃密膏體的情況下，如果不產(chǎn)生明顯的波動(dòng)，則( 3) 項(xiàng)引起的誤差較小。標(biāo)準(zhǔn)中基于平衡桿秤尺寸參數(shù)，給出了 ( 4) 項(xiàng)引入的計(jì)時(shí)近似誤差 t 的估計(jì)公式，且 t的***大值為 0． 5% 。另外，使用其它稱重技術(shù)替代平衡桿秤，可以消除第( 4) 項(xiàng)引入的誤差，即四種動(dòng)態(tài)現(xiàn)象對(duì)計(jì)時(shí)的影響都有條件消除或忽略不計(jì)。

1． 3 適用性分析

將以往濃密膏體特性研究實(shí)驗(yàn)中使用的稱重法與上述兩種方法比較，其原理符合靜態(tài)稱重法，但實(shí)驗(yàn)中采用人工計(jì)時(shí)，不符合標(biāo)準(zhǔn)中自動(dòng)觸發(fā)計(jì)時(shí)器的規(guī)定，須改進(jìn)計(jì)時(shí)方法提高測(cè)量準(zhǔn)確度，達(dá)到能夠用于校準(zhǔn)工作的精度。

2.容積法

容積法分為靜態(tài)容積法和動(dòng)態(tài)容積法，其測(cè)量裝置同圖 1 和圖 2，只是將衡器換作量筒。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB /T 3214—2007《水泵流量的測(cè)量方法》計(jì)算公式如下:

式中，Vr 為在 t 時(shí)間內(nèi)注入量通內(nèi)的液體體積。

由于濃密膏體含固量較高時(shí)，常溫常壓下不具有流動(dòng)性，無(wú)法自然形成平整的液面，不適宜用量筒測(cè)量其體積。但濃密膏體含固量較低時(shí)，具有一定的流動(dòng)性，可以使用具有體積測(cè)量功能的容器 ( 量筒等) 測(cè)量所收集的濃密膏體的體積，再利用式( 3) 算出體積流量。

這種方法的缺點(diǎn)是只適用于含固量較低、具有一定流動(dòng)性的濃密膏體，而優(yōu)點(diǎn)是省去了質(zhì)量到體積的換算過(guò)程，消除了密度測(cè)量帶來(lái)的誤差。

3.標(biāo)準(zhǔn)表法

標(biāo)準(zhǔn)表法的原理主要是依據(jù)流體力學(xué)流量連續(xù)性方程。若一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表與被校驗(yàn)流量計(jì)( 簡(jiǎn)稱被校儀表) 串聯(lián)，使校準(zhǔn)流體在相同時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表和被校儀表，任何時(shí)刻流過(guò)兩臺(tái)表的質(zhì)量流量 Qm 是相等的，忽略通過(guò)兩表流體密度的差異，認(rèn)為任何時(shí)刻流過(guò)兩臺(tái)表的體積流量 Qv 是相等的。同時(shí)讀取標(biāo)準(zhǔn)表和被校儀表的讀數(shù)，比較兩者的輸出流量，從而確定被校儀表計(jì)量性能 P。

設(shè) K 為標(biāo)準(zhǔn)儀表數(shù)據(jù)與被校儀表數(shù)據(jù)的比值，即儀表系數(shù):

式中，Qvs 為標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量的體積流量; Qvt 為被校儀表測(cè)量的體積流量。

分析以往濃密膏體管道輸送實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，可得出濃密膏體管道流量測(cè)量裝置的精度等級(jí)為1． 0，故校準(zhǔn)濃密膏體管道流量測(cè)量裝置須采用精度等級(jí)高于 1． 0 的儀表，至少為 0． 5，高兩級(jí)以上 ( 即高于0． 1) 為***佳。由于濃密膏體的含固量高、電導(dǎo)率低、流速慢，目前只有含固量低于 63% 的煤泥能夠，用電磁流量計(jì)測(cè)出流量 并且精度等級(jí)為 0． 5。

因此，該方法也是有條件的適用，不是適用。

4.標(biāo)準(zhǔn)體積管法

標(biāo)準(zhǔn)體積管法是由液體驅(qū)動(dòng)并沿著標(biāo)準(zhǔn)容積段移動(dòng)的球形或圓柱體物體，當(dāng)它通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)容積段時(shí)，能置換出兩個(gè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)之間已知體積的液體。置換器具有與管壁緊密接觸的彈性密封面，以防止液體的漏失，分為球式和活塞式。該方法***早應(yīng)用于石油行業(yè)，標(biāo)準(zhǔn)亦是由石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)而來(lái)。

1988 年的標(biāo)準(zhǔn) GB /T 9109． 3—1988 《原油動(dòng)態(tài)計(jì)量 固定式標(biāo)準(zhǔn)體積管安裝技術(shù)規(guī)定》中大篇幅介紹了球式標(biāo)準(zhǔn)體積管，僅在***后提到了一款從國(guó)外引進(jìn)的活塞式標(biāo)準(zhǔn)體積管，可見(jiàn)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)該方法的校準(zhǔn)大多使用前者，而后者只有進(jìn)口設(shè)備。到了1998 年，標(biāo)準(zhǔn) GB /T 17286． 4—1998 《液態(tài)烴動(dòng)態(tài)測(cè)量 體積計(jì)量流量計(jì)檢定系統(tǒng)》中就已經(jīng)詳細(xì)規(guī)范了活塞式標(biāo)準(zhǔn)體積管，同一時(shí)期還涌現(xiàn)了許多相關(guān)論文，后來(lái)誕生了一些相關(guān)專利，可見(jiàn)在國(guó)內(nèi)活塞式逐漸成為該方法的主流。

4． 1 球式

圖 3 為 GB /T 13282—1991 《體積管式流量測(cè)量校準(zhǔn)裝置》中描述的球式標(biāo)準(zhǔn)體積管法原理圖。利用球式置換器將兩個(gè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)間標(biāo)準(zhǔn)體積管中的液體排出，并測(cè)量?jī)蓚€(gè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)傳出信號(hào)的間隔時(shí)間，則體積流量 qv 為:

4． 2 活塞式

圖 4 為實(shí)用新型專利 201120316770． 9 公布的一種活塞式標(biāo)準(zhǔn)體積管，其原理正是利用活塞作為置換器，將標(biāo)準(zhǔn)體積管中的液體排出。若已知液體排出的啟停時(shí)間間隔 tp ，標(biāo)準(zhǔn)體積管的體積為 Vp ，則體積流量 qv 為:

4． 3 適用性分析

由于濃密膏體管道輸送的驅(qū)動(dòng)設(shè)備為活塞泵，可見(jiàn)活塞式標(biāo)準(zhǔn)體積管法用于濃密膏體也是可行的。該方法體積數(shù)據(jù)精度由標(biāo)準(zhǔn)容腔來(lái)保證，避免了測(cè)量的不確定性，校準(zhǔn)時(shí)只產(chǎn)生計(jì)時(shí)誤差，精度較高。另外，活塞式操作自動(dòng)化程度高，是校準(zhǔn)專用的較佳儀器。

5.結(jié)語(yǔ)

1) 通常一個(gè)工廠一段時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出的濃密膏體的物理特性應(yīng)是相對(duì)穩(wěn)定的，故濃密膏體管道流量測(cè)量裝置校準(zhǔn)時(shí)要采用使用地產(chǎn)出的濃密膏體，才能保證測(cè)量輸出的準(zhǔn)確性。這就要求所選用的校準(zhǔn)方法能夠適應(yīng)不同物理特性的情況，包括不同的含固量、不同的電導(dǎo)率及不同的流動(dòng)性等。因此，在一定物理特性條件下才能適用的方法不能滿足濃密膏體管道流量測(cè)量裝置的校準(zhǔn)工作。通過(guò)研究分析，四種校準(zhǔn)方法中，只有稱重法和標(biāo)準(zhǔn)體積管法可以滿足上述要求。

2) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)提倡使用先進(jìn)衡器的精神，采用電子秤代替稱重法標(biāo)準(zhǔn)舉例中的桿秤，可以消除一部分誤差，提高測(cè)量精度，而改進(jìn)后的稱重法不僅可以直接用于濃密膏體研究領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量，而且可以作為其工程領(lǐng)域流量測(cè)量裝置的可靠校準(zhǔn)方法。

3) 目前沒(méi)有專門(mén)使用濃密膏體進(jìn)行校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)體積管，一方面可以考察其他領(lǐng)域使用的設(shè)備是否可以直接引入本領(lǐng)域使用，另一方面可以設(shè)計(jì)本領(lǐng)域適用的標(biāo)準(zhǔn)體積管，但該校準(zhǔn)設(shè)備必須要經(jīng)過(guò)檢定認(rèn)可。