水-蒸汽介质下流量计仪表系数的修正方法及流量计与流程

1.本发明属于仪器仪表技术领域，涉及计量用流量计技术，是利用不同介质下的标定试验结果、基于数值拟合的卡门涡街流量计在水-蒸汽介质下的仪表系数修正技术，具体是水-蒸汽介质下流量计仪表系数的修正方法及流量计。


背景技术：

2.蒸汽流量计是测量蒸汽累计质量流量的专用仪表，以涡街流量计最为常见，然而在使用时，由于涡街流量计在计量的过程中受蒸汽状态、物理性质以及流量计的设计、安装和使用等各种因素的影响，导致流量计在现场实际计量过程中计量精度很难保证。
3.目前，用于卡门涡街流量计量值溯源的流量标准装置按照介质种类主要分为三类：第一类是以蒸汽为检定/校准介质的蒸汽实流流量标准装置；第二类是以水为介质的水流量标准装置；第三类是以常压空气为介质的气体流量标准装置。
4.基于上述流量标准装置的建设现状和客户的溯源成本，各计量技术机构一般都是用水或常压蒸汽介质对现场测量蒸汽的卡门涡街流量计进行检定/校准。由于水介质、热水介质、常压蒸汽介质与蒸汽介质在温度、压力、密度、粘度等方面存在着很大的区别，在检定/校准蒸汽涡街流量计时，用水介质、常压蒸汽介质标定的系数和用蒸汽介质实际标定的系数存在（1.5至3）%的差异，导致检定/校准后形成的修正误差非常大。


技术实现要素：

5.针对上述所描述的在检定/校准蒸汽涡街流量计时，用水介质、常压蒸汽介质标定的系数和用蒸汽介质实际标定的系数存在（1.5至3）%的差异，导致检定/校准后形成的修正误差非常大的问题，本发明提出了水-蒸汽介质下流量计仪表系数的修正方法及流量计。
6.本发明通过建立水-蒸汽介质下仪表系数的修正因子数学模型，并利用数值拟合的方法确定修正因子数学模型中的拟合常数，本发明的修正方法可靠性高、安全性好，操作方便；其具体技术方案如下：水-蒸汽介质下流量计仪表系数的修正方法，包括以下步骤：1）选取多种口径的涡街流量计；2）计算每种口径的涡街流量计对应的几何参数变量β；3）在标准介质下，每种口径的涡街流量计选取多个流量点，确定每个流量点的雷诺数re
标准
(i)，i为流量点的总数；4）基于雷诺数相似原理，根据每个流量点的雷诺数re
标准
(i)确定水介质下每个流量点的雷诺数re
水
(i)以及在蒸汽介质下每个流量点的雷诺数re
蒸汽
(i)；5）根据涡街流量计的口径以及每个流量点的雷诺数re
水
(i)确定水介质下每个流量点的质量流量q
set-水
(i)，根据涡街流量计的口径以及每个流量点的雷诺数re
蒸汽
(i)确定蒸汽介质下每个流量点的质量流量q
set-蒸汽
(i)；6）根据q
set-水
(i)，测量水介质下每个流量点对应的介质工作温度t
水
（i,j），单位：
℃，表前压力p
1水
（i,j），单位：kpa，表后压力p
2水
（i,j），单位：kpa，标准累积体积v
水
（i,j），单位：l，以及累积脉冲n
水
（i,j），单位：个；其中，介质工作温度t
水
（i,j）、表前压力p
1水
（i,j）、表后压力p
2水
（i,j）、标准累积体积v
水
（i,j）以及累积脉冲n
水
（i,j）均测量多次；根据q
set-蒸汽
(i)，测量蒸汽介质下每个流量点对应的介质工作温度t
蒸汽
（i,j），单位：℃，表前压力p
1蒸汽
（i,j），单位：kpa，表后压力p
2蒸汽
（i,j），单位：kpa，标准累积体积v
蒸汽
（i,j），单位：l，以及累积脉冲n
蒸汽
（i,j），单位：个；其中，介质工作温度t
蒸汽
（i,j）、表前压力p
1蒸汽
（i,j）、表后压力p
2蒸汽
（i,j）、标准累积体积v
蒸汽
（i,j）以及累积脉冲n
蒸汽
（i,j）均测量多次；7）计算水介质下，每个流量点对应的平均介质工作温度t
水
(i)、每个流量点对应的平均表前压力p
1水
(i)和每个流量点对应的平均表后压力p
2水
(i)；计算蒸汽介质下，每个流量点对应的平均介质工作温度t
蒸汽
(i)、每个流量点对应的平均表前压力p
1蒸汽
(i)和每个流量点对应的平均表后压力p
2蒸汽
(i)；8）分别计算水介质下和蒸汽介质下的仪表系数k
水
（i,j）和k
蒸汽
（i,j），计算公式如下：k
蒸汽
（i,j）=n
蒸汽
（i,j）/v
蒸汽
（i,j）*1000k
水
（i,j）=n
水
（i,j）/v
水
（i,j）*1000根据k
蒸汽
（i,j）和k
水
（i,j）分别计算蒸汽介质下的平均仪表系数k
蒸汽
(i)和水介质下的平均仪表系数k
水
(i)；9）建立水-蒸汽介质下仪表系数的修正因子数学模型：其中，e
t
为温度修正系数，为水-蒸气介质下修正后的仪表系数，等于水介质下的平均仪表系数k
水
(i)，其计算公式如下：式中，αh是指壳体线膨胀系数, 1/℃；αs是指发生体线膨胀系数，1/℃；t
水
是指水介质下，每个流量点对应的平均介质工作温度t
水
(i)；t
蒸汽
是指蒸汽介质下，每个流量点对应的平均介质工作温度t
蒸汽
(i)；其中，为修正因子，a、b、c和d均为拟合常数，为每种口径的涡街流量计对应几何参数变量，为无量纲；为蒸汽等熵绝热指数，为无量纲；p1表示蒸汽介质下的平均表前压力p
1蒸汽
(i)，p2表示蒸汽介质下的平均表后压力p
2蒸汽
(i)；根据修正因子数学模型对水-蒸汽介质下的流量计仪表系数进行修正。
7.进一步限定，所述步骤9）中拟合常数a、b和c的计算方式为：设定，
可得计算不同口径、不同流量点下的值，将不同口径、不同流量点下的值进行拟合计算得出a、b、c和d的值。
8.进一步限定，所述拟合计算具体是利用matlab拟合计算的。
9.进一步限定，所述步骤2）中，每种口径的涡街流量计对应的几何参数变量β的计算公式如下：其中，d（b）为发生体特征宽度，单位：mm；d（b）为涡街流量计表内径，单位：mm，b为涡街流量计的口径。
10.进一步限定，所述步骤1）中，涡街流量计的口径至少选取3种。
11.进一步限定，所述步骤3）中，每种口径的涡街流量计的流量点选取数量≥4个。
12.进一步限定，所述步骤4）中，每个流量点的雷诺数re
水
(i)均不低于对应口径下最低流速的雷诺数且均不高于对应口径下最高流速的雷诺数；每个流量点的雷诺数re
蒸汽
(i)均不低于对应口径下最低流速的雷诺数且均不高于对应口径下最高流速的雷诺数。
13.进一步限定，所述步骤3）中，标准介质为蒸汽介质。
14.一种流量计，所述流量计是利用上述的水-蒸汽介质下流量计仪表系数的修正方法修正所得的。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明水-蒸汽介质下流量计仪表系数的修正方法，是通过卡门涡街流量计在水介质下与蒸汽介质下标定系数的相互修正关系，实现用水装置标定蒸汽卡门涡街流量计，从而达到蒸汽能源在现有设备下的溯源成本控制和精准计量。本发明的方法实现了标准资源的有效最大化利用，避免因蒸汽检测导致的巨大经济损失及人员安全隐患，修正方法简单、可靠性高、使用寿命长、安全性好，对提升涡街流量计的计量保障能力及检验检测能力具有重要的意义，实现了蒸汽介质下卡门涡街流量计的溯源准确性。
16.本发明通过建立水-蒸汽介质下仪表系数的修正因子数学模型，并利用数值拟合的方法确定修正因子数学模型中的拟合常数，对水装置标定蒸汽卡门涡街流量计进行修正，修正后误差可控制在0.5%以下，极大地降低了蒸汽卡门涡街流量计的检定/校准误差。
附图说明
17.图1为本技术水-蒸汽介质下流量计仪表系数的修正方法的过程示意图；图2为发生体处横截面示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行进一步地解释说明，但本发明并不限于以下说明的实施方式。
19.实施例1参见图1，本实施例水-蒸汽介质下流量计仪表系数的修正方法，其包括以下步骤：1）选取多种口径的涡街流量计，本实施例中选取了4个种不同品牌的8台涡街流量计，精度等级均为1.5级，其中包含口径dn（50）、dn（100）、dn（150）、dn（200），每种口径的均两台；2）计算每种口径的涡街流量计对应的几何参数变量β；β为无量纲，其中，涡街流量计对应的几何参数变量β的计算公式如下：参见图2，其中，d（b）为发生体特征宽度，单位：mm；d（b）为涡街流量计表内径，单位：mm；b为涡街流量计的口径，单位：mm；参见表1，为步骤1）中的8种涡街流量计计算出的几何参数变量β，该涡街流量计是指蒸汽涡街流量计；表1：不同口径的涡街流量计对应的几何参数变量涡街流量计口径dn（b）发生体特征宽度d（b）表内径d（b）几何参数变量β涡街流量计1、25025.97651.4340.621涡街流量计3、410032.29094.0410.756涡街流量计5、615038.653139.2670.807涡街流量计7、820051.807186.1580.8063）在标准介质下，每种口径的涡街流量计选取多个流量点，确定每个流量点的雷诺数re
标准
(i)，i为流量点的总数；具体的，此处的标准介质为蒸汽介质，也可以是除蒸汽介质之外的其他介质，例如：水介质或空气；本实施例以标准介质为蒸汽介质为例进行说明，具体的，在蒸汽介质下，每种口径的涡街流量计选取8个流量点：q
max
、0.8q
max
、0.6q
max
、0.4q
max
、0.3q
max
、0.2q
max
、0.15q
max
、0.1q
max
，q
max
为蒸汽介质下涡街流量计的最大流量，确定每个口径下、每个流量点的雷诺数re
蒸汽
(i)，i为流量点的总数；其中i∈n，n为自然数；4）基于雷诺数相似原理，根据每个流量点的雷诺数re
标准
(i)确定水介质下每个流量点的雷诺数re
水
(i)以及在蒸汽介质下每个流量点的雷诺数re
蒸汽
(i)；具体的，由于本实施例是以蒸汽介质为标准介质，相当于已经在步骤3）中确定了re
蒸汽
(i)，因此，本步骤中只需要根据每个流量点的雷诺数re
标准
(i)确定水介质下每个流量点的雷诺数re
水
(i)；需要说明的是，若标准介质为其他介质，则在本步骤中需要根据每个流量点的雷诺数re
标准
(i)确定蒸汽介质下每个流量点的雷诺数re
蒸汽
(i)；每个流量点的雷诺数re
水
(i)以及每个流量点的雷诺数re
蒸汽
(i)均不超过对应介质及对应口径下最低流速的雷诺
数和最高流速的雷诺数，即在水介质下，每个流量点的雷诺数re
水
(i)均不低于对应口径下最低流速的雷诺数且均不高于对应口径下最高流速的雷诺数，在蒸汽介质下，每个流量点的雷诺数re
蒸汽
(i)均不低于对应口径下最低流速的雷诺数且均不高于对应口径下最高流速的雷诺数；5）根据涡街流量计的口径以及每个流量点的雷诺数re
水
(i)确定水介质下每个流量点的质量流量q
set-水
(i)，根据涡街流量计的口径以及每个流量点的雷诺数re
蒸汽
(i)确定蒸汽介质下每个流量点的质量流量q
set-蒸汽
(i)；具体的，根据涡街流量计的口径dn（50）、dn（100）、dn（150）和dn（200），以及每个流量点的雷诺数re
水
(i)确定水介质下的每个流量点的质量流量q
set-水
(i)，即共确定64个质量流量q
set-水
(i)；根据涡街流量计的口径dn（50）、dn（100）、dn（150）和dn（200），以及每个流量点的雷诺数re
蒸汽
(i)确定蒸汽介质下每个流量点的质量流量q
set-蒸汽
(i)，即共确定64个质量流量q
set-蒸汽
(i)；6）依据《涡街流量计》jjg1029-2007检定规程，选取相应的标准装置，对选定的dn（b）口径的涡街流量计在相应的流量点分别进行蒸汽和水介质实流检测；根据q
set-水
(i)，测量水介质下每个流量点对应的介质工作温度t
水
（i,j），单位：℃，表前压力p
1水
（i,j），单位：kpa，表后压力p
2水
（i,j），单位：kpa，标准累积体积v
水
（i,j），单位：l，以及累积脉冲n
水
（i,j），单位：个；其中，介质工作温度t
水
（i,j）、表前压力p
1水
（i,j）、表后压力p
2水
（i,j）、标准累积体积v
水
（i,j）以及累积脉冲n
水
（i,j）均重复测量多次；具体的，测量次数≥3，优选的，本实施例选用的测量次数为3；介质工作温度是通过温度计测量的，表前压力和表后压力是通过压力表测量的，标准累积体积以及累积脉冲均是通过涡街流量计测量的；根据q
set-蒸汽
(i)，测量蒸汽介质下每个流量点对应的介质工作温度t
蒸汽
（i,j），单位：℃，表前压力p
1蒸汽
（i,j），单位：kpa，表后压力p
2蒸汽
（i,j），单位：kpa，标准累积体积v
蒸汽
（i,j），单位：l，以及累积脉冲n
蒸汽
（i,j），单位：个；其中，介质工作温度t
蒸汽
（i,j）、表前压力p
1蒸汽
（i,j）、表后压力p
2蒸汽
（i,j）、标准累积体积v
蒸汽
（i,j）以及累积脉冲n
蒸汽
（i,j）均重复测量多次；具体的，测量次数≥3，优选的，本实施例选用的测量次数为3；介质工作温度是通过温度计测量的，表前压力和表后压力是通过压力表测量的，标准累积体积以及累积脉冲均是通过涡街流量计测量的；其中，i为流量点的总数，j每个流量点测量的次数，本实施例中i=64，j=3；7）计算水介质下，每个流量点对应的平均介质工作温度t
水
(i)、每个流量点对应的平均表前压力p
1水
(i)和每个流量点对应的平均表后压力p
2水
(i)；计算蒸汽介质下，每个流量点对应的平均介质工作温度t
蒸汽
(i)、每个流量点对应的平均表前压力p
1蒸汽
(i)和每个流量点对应的平均表后压力p
2蒸汽
(i)；8）分别计算水介质下和蒸汽介质下的仪表系数k
水
（i,j）和k
蒸汽
（i,j），计算公式如下：k
蒸汽
（i,j）=n
蒸汽
（i,j）/v
蒸汽
（i,j）*1000k
水
（i,j）=n
水
（i,j）/v
水
（i,j）*1000根据k
蒸汽
（i,j）和k
水
（i,j）分别计算蒸汽介质下的平均仪表系数k
蒸汽
(i)和水介质下的平均仪表系数k
水
(i)；
即，；9）建立水-蒸汽介质下仪表系数的修正因子数学模型：其中，e
t
为温度修正系数，为水-蒸气介质下修正后的仪表系数，等于水介质下的平均仪表系数k
水
(i)，其计算公式如下：式中，αh是指壳体线膨胀系数, 1/℃；αs是指发生体线膨胀系数，1/℃；t
水
是指水介质下，每个流量点对应的平均介质工作温度t
水
(i)；t
蒸汽
是指蒸汽介质下，每个流量点对应的平均介质工作温度t
蒸汽
(i)；其中，为修正因子，a、b、c和d均为拟合常数，为每种口径的涡街流量计对应几何参数变量，为无量纲；为蒸汽等熵绝热指数，为无量纲；p1表示蒸汽介质下的平均表前压力p
1蒸汽
(i)，p2表示蒸汽介质下的平均表后压力p
2蒸汽
(i)，为水-蒸气介质下修正后的仪表系数；根据修正因子数学模型对水-蒸汽介质下的流量计仪表系数进行修正。
20.所述步骤9）中拟合常数a、b和c的计算方式为：设定，可得即在确定口径下dn（b）、确定流量点下，其可改写为：计算不同口径、不同流量点下的值，将不同口径、不同流量点下的值进行拟合计算得出a、b、c和d的值；具体的，a、b、c和d的值是通过matlab拟合计算得到的，或者还可通过其他类似的拟合计算软件、甚至人工计算等方式确定，优选的，本实施例的a、b、c和d的值是通过matlab拟合计算得到的，根据本实施例的各口径以及各流量点的值拟合计算出的a=-43.7111，b=229.9388，c=-330.4527，d=189.6655。
21.从而可以确定修正因子的计算公式为：仪表系数修正公式的计算公式为：为了验证本发明方法的可靠性，采用以下两种方法予以佐证：误差法：由修正因子公式和仪表系数修正公式可以确定水-蒸气介质下修正后的仪表系数以及蒸汽介质下的平均仪表系数k
蒸汽
(i)，根据误差公式可求其误差e：(i)，根据误差公式可求其误差e：表2 蒸汽介质修正仪表系数拟合误差参见表2，其最大拟合误差e=-0.04%，远远小于其仪表最大允许误差1.5%（精度1.5）。可认为本技术的修正方法精准、可靠。
22.不确定度法：对拟合仪表系数其进行不确定度分析，可得：其中，为蒸汽介质拟合仪表系数k’蒸汽
的不确定度，%；为水介质k
水
系数测量不确定度，%；
为壳体线膨胀系数引入的不确定度，%；为发生体线膨胀系数引入的不确定度，%；为水介质温度测量不确定度，%；为蒸汽介质温度测量不确定度，%；为发生体特征宽度测量不确定度，%；为表内径测量不确定度，%；为表后压力测量不确定度，%；为表前压力测量不确定度，%；为壳体线膨胀系数灵敏系数；为发生体线膨胀系数灵敏系数；为水介质温度灵敏系数；为蒸汽介质温度灵敏系数；为发生体特征宽度灵敏系数；为表内径灵敏系数；为表后压力灵敏系数；为表前压力灵敏系数；参见表3，以dn50口径流量计为例，可得表3 蒸汽介质仪表拟合系数的不确定度分量
对拟合仪表系数的拟合公式引入的不确定度ur（f），以dn50为例：=0.024%综合考虑，可得其合成标准不确定度ur及扩张不确定度ur：=0.075%，k=2，（k为置信因子，通常取2或者3）同理可得所有试验口径流量计在蒸汽介质仪表系数拟合过程及结果引入的不确定度：表4 蒸汽介质下流量计仪表系数修正引入的不确定度参见表4，从不确定度评定结果来看，蒸汽介质仪表系数拟合过程及结果引入的不确定度够小，远小于仪表本身的最大允许误差1.5%，也可佐证本发明的修正方法精确可靠。
23.实施例2 本实施例一种流量计，其是利用实施例1的水-蒸汽介质下流量计的修正方法修正所得的。