主動式體積管實現(xiàn)微小流量校準(zhǔn)的改造

韓義中，官志堅

(中航長城計量測試(天津)有限公司，天津300457)

0 引言

我所建成的潤滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用國際上油品計量廣泛使用的主動式體積管方式構(gòu)造而成。該標(biāo)準(zhǔn)主要用于使用高粘度油品如航空潤滑油等為介質(zhì)的流量計的檢定與校準(zhǔn)工作，測量范圍:100～10000 L/h，相對擴(kuò)展不確定度U=0.08%(k=2)。油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置自2001年投入使用以來已廣泛服務(wù)于國防科技工業(yè)及地方企事業(yè)單位，但隨著越來越多小口徑流量計的運(yùn)用，現(xiàn)有的量程已不能滿足校準(zhǔn)的需求，需進(jìn)行流量范圍擴(kuò)展。

1 主動式體積管裝置的構(gòu)成及原理

主動式體積管裝置主要由伺服電機(jī)、絲杠精密標(biāo)準(zhǔn)體積管、管路及相應(yīng)采集控制設(shè)備組成，原理如圖1。其具有準(zhǔn)確度高，流量范圍大，自動化程度很高、效率高、并且具有占地面積小、噪音小、全密閉運(yùn)行、無污染等特點是中小口徑油品流量計校準(zhǔn)的理想設(shè)備。

工作原理:校準(zhǔn)前開啟閥1、2關(guān)閉閥3，由伺服電機(jī)通過滾珠絲杠帶動活塞在主動體積管中運(yùn)動，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)流量源(標(biāo)準(zhǔn)流量的大小由上位機(jī)軟件通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制)，液體通過閥1流經(jīng)被校流量計，最終流入油箱。光柵用于測量活塞行程，活塞行程與活塞截面積的乘積再除以運(yùn)行時間就得到體積流量，通過比較被校流量計的示值與體積管測量的標(biāo)準(zhǔn)體積流量值實現(xiàn)流量計的校準(zhǔn)。

圖1 主動體積管裝置原理圖

2 裝置的改造方案

2.1 裝置現(xiàn)有不足分析及改造方案

前文已經(jīng)提及主動體積管通過光柵測量活塞行程，活塞行程與活塞截面積的乘積再除以運(yùn)行時間就得到體積流量。為了保證裝置的相對擴(kuò)展不確定度U=0.08%(k=2)，要求每次校準(zhǔn)時光柵的測量距離大于等于50 mm，本裝置中活塞有效截面積為0.041289 m2，即每次校準(zhǔn)體積要大于等于2.0645 L。這樣在校準(zhǔn)小流量時時間太長，效率太低，如以校準(zhǔn)5 L/h為例需要的校準(zhǔn)時間為1486.44 s，為了提高微小流量的校準(zhǔn)效率需要對現(xiàn)有的裝置進(jìn)行改造。

有多種改造方案可供選擇，一種是新增加更小容積的主動式體積管，另外一種是在原有裝置上增加電子天平主標(biāo)準(zhǔn)器?，F(xiàn)有裝置只是在微小流量校準(zhǔn)時效率不高，但其能產(chǎn)生微小流量源且足夠穩(wěn)定(小于等于0.05%)，因此考慮采用第二種方式，可大大節(jié)約成本。

2.2 裝置現(xiàn)有指標(biāo)及改造后指標(biāo)

改造前指標(biāo):

流量范圍:(100～10000)L/h

裝置的擴(kuò)展不確定度:U=0.08%，k=2;

改造指標(biāo):

流量范圍:(1～100)L/h

裝置的擴(kuò)展不確定度:U=0.05%，k=2;

2.3 主標(biāo)準(zhǔn)器選型

在選擇電子天平時綜合考慮了流量范圍，精度，檢定效率。最終選擇了2臺梅特勒.托利多公司的高精度電子天平，具體選型如表1所示。

表1 電子天平主要參數(shù)

在本項目中最大流量的檢定時間最長可達(dá)79s，充分保障裝置計時、計脈沖的精度，最長測量時間為220S，相對采用體積管效率大大提高。由于電子天平屬于精密儀器，現(xiàn)場振動對其精度會有影響，為了降低此類影響，為兩臺天平設(shè)計了減震底座。對于MS8001S與MS503天平由于其分辨力較高，現(xiàn)場的振動與氣流都會對其測量造成影響，為此在天平外圍安裝有機(jī)玻璃外框?qū)ζ涿芊?，避免空氣流動對它的影響?/p>

依據(jù)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)給出的證書得到其A類與B類不確定度分別為

2.4 換向機(jī)構(gòu)的設(shè)計

換向器的主要作用是將液體換入或換出容器，便于電子天平進(jìn)行稱量，是高準(zhǔn)確度質(zhì)量法裝置的必備部件?，F(xiàn)有的換向器一些固有的缺點:①一般口徑不能太小，且流量不能太小，流量太小液體完全順著墻壁流下，換向誤差加大;②對介質(zhì)粘度敏感，掛壁現(xiàn)象嚴(yán)重［1］。在裝置中為了解決小流量1～100 L/h換向以及高粘度潤滑油掛壁問題，在現(xiàn)有的開式換向器基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。采用二位三通快響應(yīng)電磁閥進(jìn)行換向(換入與換出時間差小于5 ms)，同時采用更接近工況的流量計法對換向器進(jìn)行檢定［2］，確保換向機(jī)構(gòu)的高準(zhǔn)確度。兩臺天平各配置一臺換向器。

依據(jù)檢定規(guī)程實驗得出兩臺換向器的A類與B類不確定度分別為

2.5 采集控制系統(tǒng)設(shè)計

改造部分的控制采集信號主要包括電磁閥換向控制、脈沖信號采集、天平讀數(shù)等，其中關(guān)鍵部分為脈沖信號采集。

采用傳統(tǒng)的脈沖信號采集方式時，為了保證儀表系數(shù)的檢定精度計數(shù)器的計量準(zhǔn)確度為0.01%，至少要采集10000個脈沖，這就要求稱量的時間足夠長、稱量的容器足夠大造成制造成本增加，如已常用的CLG-4渦輪流量計為列其流量為15L/h時頻率約為20Hz，顯然無法滿足10000個脈沖的要求。針對這一問題設(shè)計了雙時間計數(shù)模塊，確保在裝置的最短測量時間內(nèi)1～10000Hz的測頻誤差小于0.01%。

依據(jù)檢定規(guī)程實驗得出計時器的A類與B類不確定度分別為

3 改造部分不確定度分析

本文中介紹的適合高粘度、微小流量校準(zhǔn)的高準(zhǔn)確度流量標(biāo)準(zhǔn)裝置主要有如下創(chuàng)新與特點:

依據(jù)液體裝置檢定規(guī)程，質(zhì)量法體積流量合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

式中:u1A為計時器A類不確定度;u1B為計時器B類不確定度;u2A為換向器A類不確定度;u2B為換向器B類不確定度;u3A為天平A類不確定度;u3B為天平B類不確定度;u4為天平分辨力引入的不確定度;u5為密度測量引入的不確定度。

經(jīng)計算u=0.024%，取包含因子k=2，于是擴(kuò)展相對不確定度為

符合改造技術(shù)要求。

4 不確定度驗證

由于國內(nèi)沒有類似微小流量的潤滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可供比對，故采用本裝置體積管與改造部分進(jìn)行比對，體積管能達(dá)到的下限流量為6 L/h，比對用流量計采用max公司的max213容積式流量計。改造部分的相對擴(kuò)展不確定度U=0.05%，(k=2)，采用本裝置與我所已建標(biāo)裝置(相對擴(kuò)展不確定度U=0.08%，(k=2)對齒輪流量計樣品在相同流量點下進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行En計算，結(jié)果如表2。

表2 不確定度數(shù)據(jù)驗證表

由表2可知在6～100L/h流量范圍內(nèi)裝置比對的En值小于1，證明了裝置相對擴(kuò)展不確定度達(dá)到設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

本文通過對主動式體積管進(jìn)行增加電子天平主標(biāo)準(zhǔn)器的改造，實現(xiàn)了微小流量標(biāo)準(zhǔn)，最小流量可致1 L/h最終裝置的量程比達(dá)10000∶1。實現(xiàn)了高準(zhǔn)確度與高效的有效融合，為主動式體積管的流量范圍擴(kuò)充找出新的途徑，可以在寬量程、微小小流量、高粘度、高精度流量校準(zhǔn)和流量測量中得到廣泛的應(yīng)用。

［1］Kar-Hooi Cheong，Takashi Shimada，Ryouji Doihara.A New Calibration Facility for Small Flow of Hydrocarbon Liquid.15th Flow Measurement Conference(FLOMEKO).October 13-15，2010 Taipei，Taiwan.

［2］孟濤、王池、陳曉銘.流量裝置中換向器檢定方法的研究［J］.計量學(xué)報.2008，29:420-422.

［3］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG164-2000液體流量裝置檢定規(guī)程［S］.北京:中國計量出版社，2000.