一种活塞位移型液体流量校准装置

引言

近年来，随着科学技术的进步，流量测量技术得到了高速的发展，与之相应的流量校准技术也愈来愈被国内外专家学者和有关部门重视。

传统的液体流量校准方法有两类：其一是容积（时间）法；其二是质量（时间）法。其中，容积法又分为静态容积法和动态容积法，质量法又分为静态质量法和动态质量法。这四种方法虽在一定范围内能满足流量校准的要求，但由于技术发展水平的限制，却存在不少明显的缺点，这些缺点主要是：

（1）装置体积相对庞大，占用工作面积大，需要工作介质多。
（2）不同程度的开放型，是工作介质容易挥发、蒸发和被污染等，既影响校准准确度，又使更换介质的周期缩短。
（3）由于受本身结构的限制，总准确度很难再提高。
（4）用计算机控制比较困难。

九十年代初，美国推出了一种新型的液体流量校准装置，它基本上克服了上述传统方法的四个主要缺点。该装置采用“动态位移——时间法”测量原理，其基本测量方法是基于容积和时间的测量，但又完全不同于上述的静态容积法和动态容积法。我们用了三年左右的时间按该原理研制成功了一套滑油流量校准装置，其主要技术指标达到并超过了美国该装置的技术指标。

1 装置工作原理

装置工作原理如下：

电机匀速拖动活塞把油从油缸中排出并通过被校流量计。如果在时间间隔t内活塞移动所排出的油的容积为V，则实际（标准）流量qs为：

把qs与被校流量计相应的指示流量q相比较，即可确定被校流量计的误差，从而达到校准流量计的目的。

图1中球栅尺用来测量活塞的位移量。电机控制单元用来接受计算机指令，对电机转速进行控制。P1、P2和T1、T2分别为两支压力和两支温度传感器，其中P1 和T1用来测量油缸出口的油压和油温，P2 和T2用来测量被校流量计处的油压和油温，这四个量用来进行标准容积的压力和温度修正。由微机控制整个系统，并对测量值进行分析计算，最后输出校准结果。

图1中的活塞油缸结构在形式上与活塞式体积管相似，但它们之间存在着本质上的不同，具体如下：

（1）位移——时间法装置校准瞬时流量，活塞式体积管是校准累积流量。

（2）l为位移量，A为油缸的环形内截面积。由于油缸的加工保证了A为常数，故V的测量转化为l的测量。位移——时间法装置是动态位移测量，而活塞式体积管是静态位移测量。

（3）位移——时间法装置要求活塞运动是匀速的，而活塞式体积管不要求运动是匀速的，甚至走走停停都行。

2 校准装置的设计

2．1主要设计技术指标

流量范围：（0.1-10）m3/h
装置不确定度：0.05%
装置流量确定性：0.02%
温度范围：室温-150℃

2．2机械主体系统设计

活塞油缸系统是校准装置主体系统的核心。设计中主要考虑下述四点：

（1）按装置总不确定度的要求计算分配给油缸与活塞杆的加工准确度要求，即平行度和椭圆度要求。
（2）活塞、油缸、导轨、电机轴等之间的配合准确度要求。
（3）设计时要充分考虑装配时的便于调整。
（4）活塞运动过程中的密封性保障。

2．3硬件设计

系统测控部分硬件结构分为三个模块：数据采集模块、I/O通讯模块、技术和逻辑控制模块。这三个模块均采用微机PC总线形式。

图2 系统测控部分硬件结构图 [p] 2．4软件设计

系统软件主要包括参数设置、状态测量、温度控制、校准控制、数据处理及文档管理部分，具体如下：

图3 系统软件结构图2．5温度系统设计

按照装置总不确定度和温度范围的要求，估算确定对温度控制和温度测量准确度的要求以及整个系统各部分温度梯度的要求。

3 研制达到的水平

装置研制成功后，经过一年左右的运转、测试、实验和修改，并经以中国计量科学研究院为首的测试组的测试，在总不确定度和流量稳定性两项主要技术指标上达到了原设计指标，即九十年代美国的世界领先水平的指标；在温度范围方面(最高150℃)超过了美国的水平(最高66℃)；并通过了总公司级鉴定，评价为：国内领先，国际先进。

4 装置的创新与特点

4．1 由前述原理部分可知，装置标准流量的获得关键取决于动态位移了l的测量。位移测量通常的方法是用光栅，我们没有采用光栅，而采用了有一定风险的英国专利技术球栅尺。它与光栅相比，具有抗振动干扰性强，抗污染性强，长期可靠性好，便于维护等优点。我们克服了硬件和软件方面的双重困难，使球栅尺这项新技术在我国流量校难装置上首次应用成功。

4．2 该装置在校准具有脉冲输出的流量计方面(如最常用的涡轮流量计)，首次成功地应用了ISO7278／3脉冲插入技术(通常称为双时间测量法)。该方法采用了两个计时器，可以测出流量计脉冲的小数值，从而大大提高了校准分辨率和校准的准确度。采用国际标准的成功，一方面便于和国际接轨，另一方面也便于与国际上进行标准比对。

4．3 该装置可在室温一150℃的大温度范围内的任一温度下，对流量计进行校准，这一点在流量校准领域具有极大的理论和实践意义，具体诠释如下：

我们知道，流量测量的液体介质(如油类、化工类)有上千种之多，常用的也不下一百种，所以不可能每种液体介质都建一套流量校准装置，只能建立部分必需的液体流量校准装置，而且由于装置复杂，清洗困难，液体介质问互不相容，经济代价太大等原因，国内外皆不主张也没采用更换介质的办法对使用于不同介质的流量计进行校准，因此对多数液体介质所使用的流量计，只能用与其使用介质不同的介质进行校准，这样就产生了流量计在校准介质与使用介质不同时其仪表系数K的修正问题。对同一支涡轮流量计来说，介质不同影响其仪表系数K的主要因素是介质的粘度(v)和密度(ρ)，而更主要的是粘度。校准介质与使用介质不同对涡轮流量计的仪表系数K的修正问题，是一个复杂的实验和理论问题，是目前国内外流量测量领域的不少专家学者正在致力研究的问题，问题的圆满解决还相差很远。

我们研制的装置以它具有大范围变温校准的特点，为上述修正问题的解决提供了一个非常重要的实验条件。

该装置的重要用途举例如下：

(1)用该装置和《变温模拟校准法》研究粘度(v)对涡轮流量计仪表系数K的影响。

如上述，v和ρ对K造成主要影响，应使ρ相对固定，即要求校淮介质和使用介质伪ρ比较接近。我们装置用的介质4050号滑油，密度近于1(与水接近) 粘度很大(20℃时为58cst)，这样就可以选一支性能稳定的涡轮流量计，先用水在室温下校出K值(．水v：1cst) 然后在我们的装置上，用通过改变温度从而改变4050号滑油粘度(v)的方法在不同的粘度下校出K值，即可得出v对K的具体影响。

(2)用该装置和《变温模拟校准法》研究密度(ρ)对涡轮流量计仪表系数K的影响。

研究ρ对K的影响，要相对固定v值。选一支性能稳定的涡轮流量计，用中国计量科学研究院的变压器油流量校难装置在室温(自然温度，不能变温)下校出K值，如在室温26℃下(这时变压器油的v＝21cst，ρ≈0．86)校出K值，然后在我们的滑油装置上；在滑油粘度为21cst下进行校准（这时滑油的温度应升到45℃，因滑油的粘度——温度曲线已知，滑油ρ≈0.97），得出K值。这样既可对得到粘度相同、密度不同对流量计仪表系数K的影响。

（3）该装置的进一步应用，还可用来研究并更令人满意地解决粘度对涡轮流量计性能的影响，即琼斯（Jones）近年来提出的《通用粘度曲线法》，该方法优于传统的K系数试验和理论分析方法。

4．4该装置准确度高，结构紧凑，体积小（占地面积小，相当于传统装置的1/5），技术含量高，而且是封闭运行，安全可靠。

5 装置的推广应用价值

由于下述两方面的分析，该装置在我国极具推广价值：

（1）该装置的全部关键技术，包括活塞油缸系统的加工研制、电机稳速系统、动态位移测量系统、ISO7278/3的实施技术、温度控制系统等，全部由国内我们自行突破，不会在关键技术上依赖或受控于国外。

（2）该装置的原理原则上适用于所有液体流量校准装置，特别适用于各种油和高粘度液体的流量校准装置；装置主体系统加工安装好后，装什么介质，就是什么介质的流量校准装置，不会因为介质的不同而影响装置的总不确定度。

参考文献
1《滑油涡轮流量计校准装置》技术研究报告。张宝珠，1997
2 Determination of Turbine Meter Usable Turndown, Paul D. Olivier, Flow Dynamics, Ins (P739~745,1995)
3 Effect of Kinematic Viscosity on Performance of Turbine Flowmeters—Solution to the Problem, Frank E. Jones, Independent Consultant (P379~389,1995)(end)