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关于孔板流量计如何校准地下罐容量及其不确定液位流量的研究分析

作者: 来源: 发布时间:2019-08-01 10:42:30
摘 要 针对地下油罐容量计量问题,设计开发一套基于流量计的容量现场校准装置,利用等精度理论进行地下罐容量自动校准。利用蒙特卡洛方法对装置容量测量不确定度进行分析,结果表明该装置及方法能够用于地下罐现场校准,也证明了蒙特卡洛不确定度分析理论适用于容量校准分析。
0 引言
地下罐因为其安放位置和功能的特殊性,无法搬运到实验室内进行容量校准工作,必须开展现场校准,而通常,油库的输送管路都已经布置完成,无法再对管路进行分拆来安装校准仪表。因此,必须分析地下罐自动校准装置在测量过程中各种因素对测量不确定度所带来的影响,以满足本项目的需求。
为实现地下罐容量在线检定,利用等精度传递理论,采用“动态传递法”在线检定方案[1] 。通过将标准量器的量值传递给高稳定性和重复性皆佳的孔板流量计,然后使用流量计代替标准量器作为二次传递的标准表,构成了地下罐容量的现场校准系统。为了验证测试装置的实用性,必须进行校准装置的不确定度评定工作。
针对所设计的基于流量计的容量校准装置,采用蒙特卡洛方法[2] 进行不确定度评定,并与传统的GUM 方法进行比较,来验证蒙特卡洛分析的准确性[3] 。
1 自动校准装置结构及组成
地下油罐装置主要由抽油泵、液位计、温度计、流量计、压力计、测控系统及其它配件组成,通过孔板流量计的进/出油量数据及液位所测量的罐内油位变位数据经电脑计算而得出实际的油罐容积表。图 1中流量计的功能是对进油或出油进行计量,并实时地将量值数据传输至计算机系统,液位计的功能是计量油罐内油的高度变化,并实时地将高度数据传输至计算机系统,计算机系统的功能是实时地采集这两种数据,进行分析与计算,滤去进油或出油时必然会产生的各种波动,并将有效数据存放在计算机中。
地下油罐容积计量装置
为了保证整个装置方便运输及现场安装,首先从管道材料、配套仪表选择上进行充分调研,认真分析。测试管道采用模块化结构,分成滤消气管段、标准表管段、调节阀管段等几个部分,每个部分长度 1m 左右,可以保证运输及单人搬运要求。管段之间采用标准法兰及快速接口连接,可以保证可靠性及准确性要求。
2 流量计容量测量不确定度评定
根据相关检定规程,孔板流量计在对地下罐进行容量计量时,其容量输出量 V 的数学模型为:
20190801104527.jpg
式中:V 20 为 20℃时罐内介质体积,L;V m为孔板流量计测量所得累计体积,L;β c 为地下罐内壁材质的体胀系数,1. 5 × 10-4 ℃ -1;βw 为介质水的体胀系数,在测量温度段取 2 × 10-4 ℃ -1 ;t0 为地下罐内水的平均温度,21. 5℃;t 1 为流量计处介质温度,21. 7℃。
2. 1 传统方法不确定度评定
根据测量的数学模型可知容量测量的不确定度来源为标准表引起的不确定度、地下罐内壁材料体胀系数引起的不确定度、测量介质水体胀系数引起的不确定度以及流量计处和地下罐内温度所引起的不确定度,传递过程中各不确定度分量相互独立,因此由 B 类不确定度评定方法可得到地下罐容量测量的不确定度 u V 为:
20190801104537.jpg
其中 c 1 、c 2 、c 3 、c 4 、c 5 表示各不确定度分量的传播系数。实验时,在 8m 3 /h 流量点处,使用该流量计对地下罐进行 3 次独立容量测量实验(流量计的测量不确定度为 0. 05%)。实验结果显示,地下罐2m 高度处的容量平均值为 3918. 021L,因此地下罐容量的 B 类不确定度评定结果如表 1 所示。
20190801104547.jpg
按照式(4)可得到 u V =0. 9827L,其相对测量不确定度为 0. 0251%。因此,使用该孔板流量计对实验用地下罐容量测量的相对扩展不确定度为0. 0502%(k 取 2)。
2. 2 蒙特卡罗法不确定度评定
由式(1)可知,被测地下罐容量依赖于五个相互独立的输入变量:V m,βc,βw ,t 0 ,t 1 ,各自的概率密度函数按如下设定:
1)标准流量计体积 V m由经验可知标准孔板流量计的容量测量误差服从正态分布,在地下罐 2m 液位高度处的平均容量为3918. 021L,标准差为 0. 9795。
2)被测地下罐体胀系数 β c地下罐罐壁为 PVC 材料,其体胀系数为 1. 5 ×10-4 ℃ -1 ,按照相关规程,在 20℃ ±15℃范围内,误差为 ±1. 5 ×10 -5℃ -1,服从均匀分布。
3)测量介质水的体胀系数 β w测量介质水的体胀系数为 2. 0 × 10-4 ℃ -1 ,同样根据相关规定,在测量温度范围内,其误差为 ±0. 5 ×10-4 ℃ -1 ,服从均匀分布。
4)地下罐内平均水温 t 0地下罐内平均水温为 21. 5℃,所选用的温度变送器测量误差为 ±0. 1℃,按均匀分布考虑。
5)流量计处水温 t 1流量计处的平均水温为 21. 7℃,选用相同型号温度变送器测得,同样按均匀分布考虑。
由以上设定,并将随机样本容量大小设定为 M=10000,通过数学软件运算得到蒙特卡罗方法对地下罐容量不确定度评定结果为 u =0. 02515%,因此其相对扩展不确定度为 0. 0503%。
2. 3 不确定度评定结果对比
采用传统 GUM 方法 B 类不确定度评定对地下罐容量评定结果为 U = 0. 0502%,而采用蒙特卡罗方法对该罐进行不确定度评定的结果为 U =0. 0503%,其中随机样本容量为 M =10000。两种方法计算结果十分相近,也可证明蒙特卡罗方法在不确定度评定领域内具有可行性。蒙特卡罗方法评定不确定度的计算结果与随机抽样样本数 M 有密切的关系[5] ,实验表明(图2),随机样本数 M 越大,随机样本的方差波动越小,其评定结果越趋向于传统 B 类不确定度评定方法对地下罐容量测量的不确定度评定值,即随机数统计结果与 B 类不确定度评定之间的一致性会越高,评定结果越可靠。在使用蒙特卡罗方法评定时,随机样本中的随机数 M 一般大于 1000。
不确定度评定结果比较
3 结论
通过对开发的基于流量计法的地下罐容量现场校准装置进行不确定度分析,证实了该方案可以用于地下罐容量现场校准。蒙特卡罗方法是对传统不确定度评定 GUM 方法的补充,随着计算机技术和数学软件的发展,采用蒙特卡罗方法实现测量不确定度分析成为可能。蒙特卡罗方法与传统不确定度评定方法一样,适用于具有已知概率密度函数输入变量的测量模型。采用蒙特卡罗方法对流量计容量计量进行不确定度评定是对该方法的有效实践。实践表明,用蒙特卡罗方法进行不确定度评定时,其结果与传统评定方法结果一致性良好。
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