【摘要】作為容積式的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，活塞式體積管在檢定質(zhì)量流量計(jì)時受操作難度、運(yùn)行中產(chǎn)生的氣泡和密度測量的方式等影響，在實(shí)際中應(yīng)用較少。本文主要介紹了以水溫測量密度和以雙計(jì)時脈沖插值技術(shù)測量體積來檢定質(zhì)量流量計(jì)的新方法，并對日常應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)的方案。

【關(guān)鍵詞】活塞式體積管；雙計(jì)時脈沖插值技術(shù)；質(zhì)量流量計(jì)；檢定

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.01.018

Application of Piston Type Volumetric Tube in Calibrating Mass Flowmeter

LI Jian

（Huludao Inspection and Testing Center，Huludao 125100，China）

Abstract：As a volumetric flow standard device，the piston-type volumetric tube is rarely used in practice due to the difficulty of operation，air bubbles generated during operation，and the method of density measurement when calibrating a mass flowmeter. This paper mainly introduces a new method for calibrating mass flowmeters by measuring density by water temperature and by measuring volume by double timing pulse interpolation technique，and analyze the problems in daily application，and put forward the improvement plan.

Key words：piston volume tube；double timing pulse interpolation technology；mass flow meter；verification

近幾年，錦西石化分公司在物料計(jì)量方面采取了以質(zhì)量為基本量的計(jì)量體系，在MES系統(tǒng)應(yīng)用了大批質(zhì)量流量計(jì)，因此質(zhì)量流量計(jì)的檢定工作受到各有關(guān)部門的關(guān)注。為解決質(zhì)量流量計(jì)檢定需求，我們結(jié)合錦西石化流量檢定裝置的實(shí)際情況，在原有基礎(chǔ)上對體積管法質(zhì)量流量計(jì)檢定裝置進(jìn)行升級改造。經(jīng)過三年多的運(yùn)行檢驗(yàn)證明，以水溫測量密度和以雙計(jì)時脈沖插值技術(shù)測量體積的體積管法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定質(zhì)量流量計(jì)時具有體積小、檢定速度快等優(yōu)點(diǎn)。

1體積管標(biāo)準(zhǔn)裝置的主要設(shè)備功能

在JJG 1038—2008《科里奧利質(zhì)量流量計(jì)》檢定規(guī)程里，質(zhì)量流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置有質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、容積法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和體積管法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。通用的檢定辦法有靜態(tài)稱量法、靜態(tài)容積加密度計(jì)法、標(biāo)準(zhǔn)體積管加密度計(jì)法和標(biāo)準(zhǔn)表比較法。我們采用的標(biāo)準(zhǔn)裝置是體積管法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，采用的檢定方法是標(biāo)準(zhǔn)體積管加密度法，現(xiàn)將該標(biāo)準(zhǔn)裝置的主要設(shè)備功能逐一進(jìn)行闡述。

1.1流量工作標(biāo)準(zhǔn)（包括主標(biāo)準(zhǔn)和副標(biāo)準(zhǔn)）

裝置主標(biāo)準(zhǔn)器為美國艾默生公司生產(chǎn)的P18系列丹尼爾活塞式體積管，該體積管是直徑為18 inch，排量為120 L的單一材質(zhì)加工的高精度計(jì)量管（計(jì)量管上無任何焊點(diǎn)，可以完全保證高精度的溫壓補(bǔ)償），可以在各種工況下滿足多種流量計(jì)型號的標(biāo)定要求。體積管的活塞提升機(jī)構(gòu)為先進(jìn)的液壓系統(tǒng)，可以平穩(wěn)的控制活塞；無撞擊動作，可以防止在危險場所產(chǎn)生爆炸。體積管帶有引流管，附帶的溫度和壓力變送器安裝在引流管上，最大限度地保證檢定定時的良好流態(tài)。

本裝置主流量工作標(biāo)準(zhǔn)的原理是，當(dāng)流體穩(wěn)定地流經(jīng)被檢流量計(jì)和體積管時，通過位移器從兩個檢測開關(guān)間的計(jì)量段所置換出的流體體積測出體積，然后用溫度傳感器測出水溫，再按照PTB-1968公式計(jì)算得到相應(yīng)的密度。本裝置的副流量工作標(biāo)準(zhǔn)是電磁流量計(jì)，通過電磁流量計(jì)測定體積，用溫度傳感器測出水溫，再按照PTB-1968公式計(jì)算得到相應(yīng)的密度。

上述兩個工作標(biāo)準(zhǔn)都通過同步采集得到相應(yīng)量值，輸入計(jì)算機(jī)指定檢定系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)按照檢定規(guī)程要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并直接輸出被測質(zhì)量流量計(jì)在該流量點(diǎn)的相對誤差Ei及重復(fù)性s（Er）。

1.2數(shù)據(jù)采集控制器

數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)采集檢定過程中的數(shù)據(jù)，自動輸入到微機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理。微機(jī)系統(tǒng)配備相應(yīng)的檢定軟件，按照國家計(jì)量檢定規(guī)程的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.3體積管的的技術(shù)指標(biāo)

流量范圍：0.794～794 m3/h；擴(kuò)展不確定度：U=0.05%，k= 2；工作壓力：5.0 MPa；介質(zhì)黏度：0.5～50 cP；標(biāo)準(zhǔn)體積：120 L（30加侖）；計(jì)量管材質(zhì)和活塞材質(zhì)：17-4PH不銹鋼；檢定介質(zhì)：水。

1.4水標(biāo)組件

體積管配置的水標(biāo)組件包括：管線、連接閥門、壓力表、溫度計(jì)等，在水標(biāo)入口和出口的水標(biāo)管路上和球閥上要安裝精密壓力表，精度等級優(yōu)于0.25級。在水標(biāo)入口管路的閥前加裝1"NPT的短接和活接頭。在水標(biāo)管路入口、出口安裝精度為二等標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，測量范圍為0～50℃，分度值0.1℃。作為體積管的溯源器具，選用帶檢定合格證書的120 L容量的二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量罐。

1.5電磁流量計(jì)的技術(shù)指標(biāo)

精度等級為0.2級，測量口徑為DN50、DN100和DN150。

1.6氣體吹掃設(shè)施

在對被檢流量計(jì)檢定前，先利用氣體吹掃設(shè)施對被檢流量計(jì)進(jìn)行吹掃，將流量計(jì)內(nèi)的介質(zhì)掃出，以避免流量計(jì)內(nèi)殘留介質(zhì)對檢定介質(zhì)水造成污染，影響密度的測量。檢定結(jié)束后，利用該設(shè)施將被檢流量計(jì)內(nèi)的水吹出。

1.7消氣設(shè)施

本標(biāo)準(zhǔn)裝置的消氣設(shè)施主要由1座15 m3的穩(wěn)壓罐、1座消氣過濾器和1套匯流管組成，將檢定過程中產(chǎn)生的氣泡盡量消除掉，確保體積管體積測量的精度，提高測量重復(fù)性。

2關(guān)鍵的技術(shù)

2.1采用雙計(jì)時脈沖插值（DCPI）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小數(shù)脈沖的計(jì)算

計(jì)算機(jī)安裝高頻主振蕩器，高頻主振蕩器以0.000001秒的精度計(jì)時，控制兩個計(jì)數(shù)器，分別稱為“計(jì)時器A”和“計(jì)時器B”。“計(jì)時器A”在標(biāo)志通過第一個檢測開關(guān)時開始計(jì)數(shù)。“計(jì)時器B”在“計(jì)時器A”開始后的第一個流量計(jì)脈沖的前沿到達(dá)時開始計(jì)數(shù)。當(dāng)標(biāo)志通過最后一個檢測開關(guān)時，“計(jì)時器 A”停止。在“計(jì)時器A”停止后，“計(jì)時器B”第一個流量計(jì)脈沖的前沿到達(dá)時停止（見圖1）。使用“計(jì)時器A”和“計(jì)時器B”的比值能夠在萬分之一精度范圍內(nèi)對流量計(jì)脈沖數(shù)目精確計(jì)數(shù)。

3體積管標(biāo)準(zhǔn)裝置對質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行檢定

體積管標(biāo)準(zhǔn)裝置通過計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核后，根據(jù)JJG 1038—2008《科里奧利質(zhì)量流量計(jì)》，利用該裝置對送檢的質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行檢定，通過三年多的運(yùn)行，裝置的穩(wěn)定性和可靠性得到驗(yàn)證，現(xiàn)對體積管標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定質(zhì)量流量計(jì)總結(jié)了以下幾個要點(diǎn)。

3.1流量計(jì)的安裝

流量計(jì)的整個安裝過程中“無應(yīng)力”至關(guān)重要。流量計(jì)檢定必須嚴(yán)格按照流量計(jì)的說明書進(jìn)行安裝，避免或減少因安裝因素造成的應(yīng)力，以保證傳感器正常工作。當(dāng)流量計(jì)安裝完畢后將接地線與流量計(jì)表體相連。

3.2流量計(jì)參數(shù)的設(shè)置

連接好裝置、配套儀器及流量計(jì)的電路，通電預(yù)熱30 min，借助手操器檢查流量計(jì)參數(shù)的設(shè)置（流量計(jì)因子或K系數(shù)、最大流量、最大流量對應(yīng)的頻率或電流），流量計(jì)因子或K系數(shù)應(yīng)與前次檢定證書的值相同。流量計(jì)若有多種輸出信號，應(yīng)首先選用脈沖輸出進(jìn)行檢定，若對參數(shù)進(jìn)行修改，必須對修改前后的參數(shù)進(jìn)行記錄。

3.3流量計(jì)的調(diào)零

流量計(jì)在最大檢定流量的50%以上運(yùn)行不少于10 min，然后按使用說明書的要求進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整。

3.4流量計(jì)檢定點(diǎn)的選擇和檢定次數(shù)的控制

按照規(guī)程的要求，流量計(jì)的檢定點(diǎn)依次為qmax、0.5qmax、0.2qmax、qmin和qmax。在檢定過程中，每個流量點(diǎn)的每次實(shí)際檢定流量與設(shè)定流量的偏差不超過設(shè)定流量的±5%；每個流量點(diǎn)的檢定次數(shù)不少于3次；型式評價的流量計(jì)，每個流量點(diǎn)的檢定次數(shù)不少于6次。

3.5檢定過程中的壓力控制及體積管氮?dú)鈮毫Φ目刂?p>

3.6管道系統(tǒng)的排氣

在整個裝置中，一共有四個排氣部位，由于體積管的重復(fù)性易受檢定介質(zhì)內(nèi)所含氣體的影響，因此在每個檢定點(diǎn)檢定前必須進(jìn)行排氣操作。

3.7示值誤差及重復(fù)性檢定

當(dāng)以上工作完成后，啟動流量計(jì)自動檢定系統(tǒng)中的誤差及重復(fù)性檢定程序，依照規(guī)程中規(guī)定的檢定點(diǎn)依次進(jìn)行檢定。依照規(guī)程對每點(diǎn)的誤差及重復(fù)性進(jìn)行自動計(jì)算，自動判別流量計(jì)的誤差及重復(fù)性是否符合規(guī)程要求。若流量計(jì)誤差超差，可以根據(jù)以下兩個公式中的任何一個進(jìn)行流量系數(shù)的計(jì)算和調(diào)整。調(diào)整后的流量計(jì)依據(jù)規(guī)程的檢定點(diǎn)重新檢定。

4體積管標(biāo)準(zhǔn)裝置在日常檢定中的技術(shù)改進(jìn)

4.1改造了體積管流量控制回路

原有設(shè)計(jì)是在體積管的出口主管線（DN200）上安裝了一個手動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是該調(diào)節(jié)閥在實(shí)際使用過程中存在費(fèi)時費(fèi)力、調(diào)節(jié)細(xì)度不夠、檢定數(shù)據(jù)重復(fù)性嚴(yán)重超差等問題。于是我們在體積管的出口安裝1條DN50的旁路，并且將原有手動閥換成氣動閥，利用主回路粗調(diào)旁路細(xì)調(diào)，嚴(yán)格控制體積管內(nèi)的壓力，提高了檢定數(shù)據(jù)的重復(fù)性。同一臺DN80的質(zhì)量流量計(jì)在100 t/h點(diǎn)的重復(fù)性由0.32%降到0.03%。

4.2改造了工藝流程，增加了匯流管

原有設(shè)計(jì)開始檢定時流量計(jì)的誤差總是比實(shí)際的誤差小0.3%左右，經(jīng)過多方分析，我們在被檢流量計(jì)前安裝了匯流管，將3個臺位匯流在一起。增加匯流管后，該檢定裝置檢定的質(zhì)量流量計(jì)與遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院檢定的數(shù)據(jù)比對結(jié)果滿足要求。此外，我們還對水質(zhì)的保持進(jìn)行了相應(yīng)的改造，讓流量計(jì)在檢定前都進(jìn)行吹掃和清洗。

總之，經(jīng)過三年多的運(yùn)行，活塞式體積管在檢定質(zhì)量流量計(jì)過程中安全、快速、完全被動式檢定等優(yōu)點(diǎn)得到了充分的體現(xiàn)?；钊襟w積管檢定質(zhì)量流量計(jì)的量值傳遞方式穩(wěn)定可靠，都可溯源到國家相關(guān)計(jì)量基準(zhǔn)。

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[3]潘丕武.石油計(jì)量技術(shù)[M].北京：中國計(jì)量出版社，2009.

【作者簡介】

李劍，男，1979年出生，高級工程師，研究方向?yàn)橛?jì)量檢定與校準(zhǔn)。

（編輯：李加鵬）