气体流量测定专用三吨电子天平的研制

　　1　概　述

　　为解决天然气行业所用气体流量仪表的周期检定和确保其量值准确,工业发达国家大多建立了最高实物标准,它实际上就是一级流量标准装置。中国测试技术研究院根据四川石油管理局天然气测试中心的工作需要,研制成功一种气体流量标准装置。在对各国依据不同测量原理建立的一级流量标准装置的优缺点进行比较之后,选用了质量流量(即mt法)方案。该方案所涉及的物理参数较少,只需测定气体的质量m和相应的充气时间t,由于误差源少,故所能达到的准确度要比其它方案高。根据定义,质量流量的表达式为:

式中:qm—气体的质量流量(kg/s);m—充入容器中的气体质量(kg);t—充入相应气体质量所需的时间(s)。

　　对于式(1),本文只涉及天然气的质量测定问题,而不涉及其相应的时间测定。采用天平作为测定仪器,并提出如下的技术指标:

　　质量流量qm的总不确定度: 0.15%~0.2%;

　　气源压力: 0.3~4 MPa;

　　称量容器的质量: 2.5~3 t;

　　充入容器内的气体质量: 10~100 kg。

　　2　天平研制方案的选择

　　目前国产大称量天平的结构不适用于测定天然气的质量。如所周知,测定气体质量(或流量)须先将其充入密封容器内,当容器的容积一定时,所充入的气体质量值将随气源压力和温度的波动而波动,所以被称气体质量的实际值与事前的理论计算值往往相差很大。若用国内现有的摆幅式3t天平称量,每称量一次,需要反复开关天平,同时还需多次加、减标准砝码,才能获得称量结果。这样,不仅浪费时间,而且还将增加天平刀子、刀承和标准砝码的磨损。为此,中国测试技术研究院和航天工业部第102研究所联合研制了一台专门用于测定气体流量的3t电子天平(见图1),在结构方面独创性地开发出四刀结构的不等臂杠杆和闭环测量系统。

　　该天平主要由支撑系统、横梁系统、吊挂系统(含称量容器)、配衡砝码、平衡铊和测量系统等组成。其中测量系统包括位移检测器、力矩器、速度检测器、组合放大器和微型计算机等。

　　该天平的最大称量(含容器)为3t,自动称量范围可达5kg。因此,在进行气体的质量测定时,只需开关两次天平(一次称皮重,另一次称总重)便可获得称量结果。测量结果为打印输出,且已经过空气浮力修正,使用非常方便。

　　该天平实际达到的各项技术指标均已超过原来提出的技术指标。其中称量容器的容积由3m3扩大到3.42m3;容器的质量由2.5t增加到3t;气源下限压力由1.6MPa减小为0.3MPa;在下限时的天然气质量值相应由33.6kg减小为10kg。为使该天平在极其不利(指称量10kg时)的情况下,其相对不确定度相对于气体流量qm的总不确定度(0.2%~0.1%)仍几乎可以忽略不计,对其计量性能精心地进行了调试。经实测表明,其实际读出能力为1g,示值不确定度不大于2g,各项计量性能指标均优于国内外相同的称量天平。