水流量標準裝置的設計與研究

謝文強，燕南飛，薛 琴

（中國煤炭科工集團西安研究院有限公司，西安 710077）

煤礦安全開采中，煤礦井下突水事件發生概率大，地下水害已成為威脅煤礦安全生產的主要因素[1]。井下流量監測大量使用到流量計作為煤礦的常規任務為地下水害預警分析提供了重要的基礎資料和歷史參考依據[2]。水流量標準裝置是計量部門和流量計制造企業進行量值傳遞、溯源與檢定測試工作的標準設備之一[3]。對于流量計制造企業，有大量儀表檢定工作和新產品研制過程中的實驗工作，對每臺流量計均需逐臺檢定以確定流量計的儀表系數、不確定度、重復性和量程范圍等技術指標[4]。這些工作都需在流量標準裝置上進行，不僅要求流量標準裝置具有足夠的準確度和可靠性，還希望能有比較高的檢定效率[5]。因此，研究設計一套水流量標準裝置具有一定的理論和實際意義。

1 水流量標準裝置整體設計

水流量標準裝置采用靜態質量法與標準表法相結合的思路進行設計。采用穩壓罐加變頻調速的方式進行控制，以保證裝置流量測量擴展不確定度。DN15～DN80以下可獨立進行檢定。檢定/校準過程由微機系統控制，檢定結果自動生成打印，自動化程度高。可實現對速度式A類流量計（以電磁、渦街、渦輪流量計為主）的檢定。水流量標準裝置由儲水循環穩壓系統、流量調節系統、標準流量計和質量標準系統、變頻調速系統、計算機控制系統、數據采集、運算及管理系統組成。

1.1 儲水循環穩壓系統

通過2臺泵組合運用，能夠覆蓋裝置的流量范圍，并在滿足流量調節的前提下充分體現節能與經濟性最優的原則。

1.1.1 水泵

水泵采用自動和手動2種控制方式，大小泵可聯動使用，同時可根據流量需要對單個水泵進行單獨變頻控制。水泵選取為立式單級離心泵，選型依據水力計算合理選型，充分考慮了水泵的最佳工作區間。具體配置為2臺揚程為32 m，流量分別為100 m3/h和25 m3/h，電機配套功率為15 kW。

1.1.2 儲水池

儲水池容積約為7.25 m3左右，液面面積約為5.8 m2左右。水泵抽水選用正向吸程，可避免夾帶空氣及每次啟動加引水等問題出現。

1.1.3 穩壓罐

穩壓罐選用立式穩壓罐實現穩壓功能。裝置穩壓罐容積滿足最大流量100 m3設計下的穩壓要求，同時配備消氣過濾裝置，穩壓罐輸出流量的壓力波動值可穩定在0.1%以內。

1.1.4 流量調節閥

流量調節閥選用氣動V型調節球閥，采用美國進口定位器。此形式調節閥的調節性能為等百分比狀態，其線性調節范圍能達到10%～90%，精度為1%，調節迅速。

1.2 計量標準系統

水流量標準裝置采用靜態質量法與標準法相結合的設計思想進行設計。故計量標準分為2部分：一是稱重標準器，二是標準表。

1.2.1 稱重標準器

依據最大流量和最小流量點的檢定時間，同時考慮到在線檢定所有標準表的需求，本套裝置選擇了3臺電子稱，其量程分別為6 kg、60 kg、300 kg，作為整個裝置的最高計量傳遞標準。完全滿足質量法對0.2級以上DN80以下口徑的流量計的檢定/校準。

1.2.2 標準表

標準表選型為準確度優于0.2級的電磁流量計。標準流量計量程范圍（0.5～100）m3/h。具體配置為DN80、DN50、DN15的電磁流量計各1臺，通過并聯形成標準表組。其組合量程范圍完全能夠覆蓋所有被檢測流量計流量點的檢定范圍。

2 水流量標準裝置硬件平臺設計

水流量標準裝置結合了靜態質量法和標準表法兩大優點進行設計。水流量標準裝置主要由標準表部分、被檢表部分和稱重部分等組成。使用靜態質量法時，水流經標準表、被檢表和稱重容器，這時標準表只起到顯示瞬時流量的作用，并不參與計算；使用標準表法時，水流經標準表、被檢表后直接流回水箱，不再經過稱重部分。硬件結構圖如圖1所示。

圖1 硬件結構圖Fig.1 Hardware structure diagram

水流量標準裝置硬件控制系統由上位機、采集卡、控制柜、現場信號源和被控流量計組成。其硬件控制系統如圖2所示。

圖2 硬件控制系統圖Fig.2 Hardware control system diagram

上位機選用研華原裝工控機，處理來自串口和采集卡的數字信息。采集卡是計算機硬件系統的擴展和與現場之間的接口，實現現場數據的采集和控制信號的輸出。控制柜是信息流的中轉站，主要由電源部分、繼電器、信號轉換模塊和控制面板組成，實現現場電源的提供、信號轉換和手動控制等功能。

3 水流量標準裝置軟件系統設計

流量計檢定流程在順序上大致由4大部分構成，即檢定初始化、檢定過程、實驗數據處理和報表打印。流量計檢定程序軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Flow chart of software

計算機控制系統是流量標準裝置可靠運行的保證。從檢定過程的角度而言，裝置的任何功能都要通過控制系統來實現，如檢定流程的控制、流量的自動調節、各種報表的生成及打印等。從功能模塊上，軟件系統主要是由系統管理、標準表法檢定、靜態質量法檢定和歷史數據查詢等幾部分組成的，功能模塊如圖4所示。

圖4 功能模塊Fig.4 Function module

4 水流量標準裝置不確定度評定

測量不確定從評定方法上分為A類和B類測量不確定度評定。A類不確定度指的是用對觀測列進行統計分析的方法來評定標準不確定度。B類不確定度指的是用不同于觀測列進行統計分析的方法來評定標準不確定度。水流量標準裝置的不確定度評定分為2部分：一是靜態質量法的不確定度計算；二是標準表法的不確定度評定，現以靜態質量法為例對其不確定度進行評定。

4.1 電子稱的不確定度計算

在電子稱所使用的量程范圍內，設置10個檢定點（j=1、2、3、…、10），用標準砝碼從 j=1 逐漸加載到j=10，完成第1次檢定；再從j=10逐漸卸載到j=l，完成第2次檢定。分別記載各點的加載質量、卸載質量以及衡器的讀數，重復進行，直到完成第10次檢定。那么，電子秤第j點測量的A類相對不確定度為

電子秤第j點測量的B類相對不確定度為

式中：mj為第j點標準砝碼的質量；R0為電子秤空載時進行10次測量的示值平均值；Δmji為第j點第i次測量的差值；電子稱第j點差值的平均值。

4.2 換向器的不確定度計算

將流量調到換向器所在臺位的檢定流量，穩定10 min；然后，操作換向器開關，使換向器換向10次，分別將換入時間和換出時間記作t1i和t2i。那么，換向器時間引入的A類不確定度分別為

換向器引入的B類不確定度為

式中：t1i為換入時間；t2i為換出時間；tmin為 30 s。

4.3 計時器的不確定度計算

連接計時器和標準計時器，以裝置最短測量時間為時間間隔，啟停計時器，讀取計時器值和標準計時器值，得到兩者差值Δti，完成一次檢定，重復10次。計時器引入的A類不確定度分別為

計時器引入的B類不確定度為

綜上，靜態質量法水流量標準裝置（以6 kg電子稱為例）的合成標準不確定度為

取K=2，得到靜態質量法水流量標準裝置的擴展不確定度：

可見，Ur=kUrc＝0.041%＜0.05%， 測量結果符合要求。

5 結語

水流量標準裝置為流量計的科研生產和質量檢測檢驗的發展起到了重要作用，同時為流量計的產業規模奠定了雄厚的基礎。水流量標準裝置投入使用后，對近百臺電磁、渦街、渦輪流量計進行了檢測，其結果表明：該系統運行穩定、檢測檢驗數據準確可靠、人機界面和諧、抗干擾能力強、使用效果好，為流量計的研制、生產和檢驗提供了大量科學數據，符合國家和行業標準的要求。

[1]吳耀明，孫泉亮，袁少博.水流量標準裝置控制系統的設計[J].工礦自動化，2012，38（1）：93-95.

[2]陳利，劉鵬飛，鄭永輝，等.靜態質量法水流量標準裝置的設計與實現[J].自動化與儀器儀表 2007（3）：62-64.

[3]張莉，蔣旭平.壓力可調水流量標準裝置的穩定性研究[J].計量與測試技術，2009，36（8）：69-71.

[4]孫青竹.水流量標準裝置自動檢定系統[J].計量技術，2005（12）：44-46.

[5]李崢.水流量標準裝置不確定度和流量穩定性研究[D].天津大學，2009.