淺析置換器與檢測開關對球式體積管計量精度的影響

陸春

體積管是由管體、標準容積段、置換器、檢測開關、閥和密封轉換機構及控制系統等組成。由具有恒定橫截面和已知容積管段組成的流量計量裝置。位移器（活塞或球）在計量段內沿著一定方向運動，置換出流體體積。體積管兩個檢測開關之間的容積段稱為標準容積段。按置換器形式，體積管可分為球式體積管和活塞式體積管。目前國內生產的球式體積管按照置換器及閥的不同分為一球一閥式和三球無閥式。

體積管作為液體流量檢定裝置的一種，具有占地面積小、結構簡單、操作方便、準確度高等優點被廣泛應用在原油計量方面。體積管的管體有碳鋼、不銹鋼材質。近年來，隨著體積管制造加工的水平不斷提升，采用不銹鋼材質的體積管在液體流量計檢測方面也被廣泛應用，以體積管為主標準器的液體流量標準裝置不但作為現場流量校準裝置，而且開始被應用為實驗室流量標準裝置。

在球式標準體積管實際應用的幾十年中，隨著科學技術和新工藝、新材料的飛速發展，檢測開關也歷經了多次臺階式技術改進，以適應和滿足檢定高品質、高精度流量計的技術條件。標準體積管裝置中設計配置的檢測開關從最初的“接觸式”和“機械微動開關”，到無觸點磁感應的“接近開關”，再到目前廣泛應用的“光電開關”以及“光纖開關”。無論何種型式的“體積管式標準流量校驗裝置”，檢測開關的性能對整機的質量和重復性指標是極其重要的，工藝技術的保障是確保其性能的基礎。眾所周知，在球式體積管中，直接影響標準體積重復性指標的因素，一是標準管段的管截面圓度及光潔度；二是置換器（球）的質量（牽涉到其的不圓度、過盈量、材質、硬度、彈性模數、耐磨、耐油的性能指標）；其三是檢測開關的性能（自身結構的動作重復性）。

1.檢測開關結構對體積管測量精度的影響

球式體積管的檢測開關一般由兩部分組成，其一是機械傳遞結構（置換器觸發狀態），由垂直伸縮位移量和水平角位移量二種；其二是發訊探頭，目前基本為二種型式（光電式和光纖式）。

1.1檢測開關中機械傳遞結構解析

如下圖所示，不管是哪種型式，其傳遞比的位移（原點至發訊點）基本都是采用1：1直測得原理設計。所不同的是置換器（球）與機械接觸形式不一樣。一般也是二種類型，一種是不銹鋼球與圓柱頂桿的配合式；一種是帶“R”形園頭的圓柱狀頂桿。

從理論和實踐來講，使用鋼球形式的優于圓柱形式。因為置換器（橡膠計量球）在標準管段中由液體推動做水平（不規則轉動）移動至接觸發訊傳遞頂桿的過程中，接觸狀態是不同的，如下圖所示。

“R”形園頭的圓柱狀一體頂桿，“R”面與球面放大看為不規則的非點面結合，不可避免存在軸向與徑向摩阻的變量性，造成了金屬R頭與橡膠球面的接觸時彈性系數誤差的不一致（橡膠球自身表面的硬度不可能一致，這就是重復性誤差不確定因素之一）。

1.2檢測開關中發訊探頭解析

不管是光電式還是光纖式，其工作原理是相同的（是一個開關門狀態信號輸出）。從多數人的理解上來講，認為對體積管重復性不會有多大的誤差和不確定因素，然而在實踐應用中的現實狀況表明，確實存在一系列的問題。光電式探頭工作原理是由一個發光源與一個光敏接收源組成，當有物體遮擋住發光源后將光線反射回至接收源，接收后的光波經由電路處理將光信號轉換為電信號并作一系列的放大、整形處理后輸出。問題在于，光電式探頭的發光源發出的光束是一個不規則呈散光狀的光柱（這是由發射源孔徑來確定的），這就對接收源接收信號的強弱及觸發位置狀態帶來了量時差，成為體積管測量不確定度來源之一；另外，外部的電源波動及光孔表面的灰塵為另一個不確定的誤差源，也會給體積管測量結果重復性誤差帶來一定的影響。

隨著檢測開關技術的不斷發展，近年來出現了光纖式探頭，它的工作原理雖然和光電式探頭工作原理基本是一樣的，但與其比較有著獨特的技術和質量優勢。光纖式探頭的發光源發出的光束為圓柱形、集束規整、紅外可見光柱（無散光、無不規則現象），發射距離可調，同軸同位反射定位準確；電路處理抗干擾、抗波動性強，輸出為規整的方波信號。尤其是從觸發動作結構和發訊方式的應用是經歷了二十多年的應用和改進，這一技術使體積管的重復性上一臺階，進而使得裝置獲得了更好的穩定性。

1.3檢測開關發訊位置的影響

體積管運行過程中，置換球在檢測介質的推動下在體積管內移動，分別觸發標準容積段兩端的檢測開關探頭，從而得出標準容積段的標準容積。由于置換球和檢測開關探頭加工精度的不確定性，導致置換球觸發檢測開關的位置存在不確定性，從而導致體積管計量精度的不確定性。以某生產廠家提供的經驗數據試做做粗略分析，某體積管設計容積管徑為DN358（14"）置換器過盈量2.5%（球徑Φ366），膠球在管段中則形成平寬帶面約60mm左右。體積管設計單向容積值為2000L，最大允差為±0.02%，其容積最大允差為40ml；計量管段管徑為14"，根據管徑截面積乘以管道長度可得知，管段內1mm長度所代表的容積為100ml。檢測開關膠球（置換器）前沿觸發或返向后沿觸發，鋼球頂桿上升高度1mm，則置換器管段內移動約為2mm左右距離，所包含的容積約為0.2L（200ml）左右。將探頭上升高度與置換球行程距離按線形關系考慮，如果檢測開關探頭上升平均高度（發訊位置）誤差范圍考慮在±0.1mm，那么置換球行程帶來的容積誤差范圍則為±20ml。

2.置換球對體積管計量精度的影響

置換球在檢定介質的推動下做不規則運動（平行移動或滾動），觸發檢測開關的探頭，檢測開關探頭抬升一段距離后觸發光纖檢測裝置，為保證置換球的密封性，置換球的直徑比計量管段管徑略大，一般置換球的過盈量為2%～4%。

若不考慮運行過程中置換球的變形（實際上，置換球在運行過程中存在著一定程度擠壓變形），分析置換球和檢測開關探頭的相對運動關系。探頭除了隨著置換球做水平橫向移動，還沿著置換球的球面做滾動運動。

置換球與標準容積管段相比的過盈量按3%計算，

不考慮置換球在管段內的擠壓變形，檢測開關探頭突入管段的深度忽略不計，近似認為檢測開關探頭與置換球接觸處的水平夾角等于置換球與管段接觸位置的水平夾角。置換球水平移動速度按檢測介質的流速計算。

某計量機構使用LJG-22型基地平鋪式體積管，其標準容積段標定容積為1025.842L，體積管內徑為258mm，據此推算出標準容積段管段長度。

以該體積管檢定某DN80口徑的電磁流量計為例（檢測結果見表1）。在最大流量121 m?/h運行下，置換球運行平均時間為30.66s，在最小流量32 m?/h運行下，置換球運行平均時間為110.44s，置換球在兩種最大、最小流量下的最大、最小流速分別為1.7254m/s和0.1805m/s。

根據前面推導的公式，得出探頭在兩種流速下的抬升速度分別為0.4256m/s和0.0445m/s。

該體積管使用的的檢測開關為LPCX-Ⅲ型光纖檢測開關。

其技術參數指標和光纖發訊原理圖如下：

光纖從初始狀態到觸發狀態，行程為2mm，即檢測探頭抬升距離為2mm。

由上述公式可計算出探頭在兩種流速狀態下的觸發時間分別為4.7ms和44.9ms，而探頭自身的反應時間僅為0.5ms以下，所以體積管內檢測介質在不同流速下，光纖檢測開關的動作時間對體積管計量精度存在著不可忽視的影響。正因為如此，JJG209-2010《體積管檢定規程》對體積管容積標定時的流量有了明確的規定；

“7.3.3.1 e）用調節閥調節流量，以確定置換器通過檢測開關D1、D2時的流量。為保證置換器能夠以同一速度經過D1、D2，在一次檢定過程中調節閥的開度應保持一致。”

流量標準裝置在檢定過程中不可避免存在一定的流量波動，造成裝置流量波動的主要因素有以下三個方面：

（1）管道阻力影響；

（2）壓力源壓力穩定性影響；

（3）管道中的水擊現象，局部流速的劇烈變化。

流量的穩定度直接影響探頭觸發開關時間的一致程度，由檢測開關帶給體積管計量的精度的不確定度可以用流量的穩定度來表示，比如某體積管標準裝置設計流量穩定性優于0.2%，以均勻分布考慮，那么由流量穩定性帶來的標準不確定度為：

根據前述的檢測開關探頭運動速度與檢測介質流速的函數關系，可得知由檢測開關所引入的測量不確定度為

3.結束語

體積管標準容積管段結構簡單，內部管壁無涂層材料（不銹鋼材質），其本身具有較好的穩定性，在實際運行過程中，體積管的標準容積段是以管段內置換器觸發檢測開關動作作為起始標志，所以置換器觸發檢測開關的靈敏程度及可靠程度直接影響到標準容積段的計量精度。通過上述分析可以看出，檢測開關自身的反應時間（以上述體積管為例，其檢測開關反應時間在0.5ms以下）與觸發過程中檢測開關動作時間（最大流量下檢測開關動作時間為4.7ms）相比，前者大概為后者的1/10，在不確定度分析中檢測開關自身的靈敏程度所帶來的測量結果的不確定度可忽略不計。運行過程中檢測開關動作時間不確定度又跟置換球在標準管段內運行速度有關，即跟檢測介質流量穩定性有直接關系。從表1的檢測數據分析來看，被檢測流量計質在大流量運行下的示值誤差明顯小于小流量下的示值誤差。如果檢測開關動作時間不確定度是固定值，那么理論上檢測開關運行時間越長即介質流速越慢，開關動作時間相對誤差應該越小，計量精度也就越高。而從實際大量實驗數據統計來看，結論恰恰相反，說明檢測開關給體積管帶來的計量精度的影響不僅僅取決于探頭運動時間。置換球在觸發檢測開關時球體的不規則變形，導致置換球觸發位置的不確定性給體積管計量精度帶來的影響或許更大。

置換球對于體積管精度的重要性可比于靜態容積法和靜態質量法裝置中換向器對裝置精度重要性，靜態容積法和靜態質量法中換向器對不確定度分析在JJG1064-2000《液體流量標準裝置檢定規程》中對試驗方法及數據采集均已有明確規定，而體積管裝置中置換器對整體計量結果的不確定度分析目前還沒有明確的試驗方式，所以，置換器對體積管計量精度的影響值得我們細細研究。