主動式體積管實現微小流量校準的改造

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準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造而成。該標準主要用于使用高粘度油品如航空潤滑油等為介質的流量計的檢定與校準工作，測量范圍:100～10000 L/h，相對擴展不確定度U=0.08%(k=2)。油流量標準裝置自2001年投入使用以來已廣泛服務于國防科技工業及地方企事業單位，但隨著越來越多小口徑流量計的運用，現有的量程已不能滿足校準的需求，需進行流量范圍擴展。

1 主動式體積管裝置的構成及原理

主動式體積管裝置主要由伺服電機、絲杠精密標準體積管、管路及相應采集控制設備組成，原理如圖1。其具有準確度高，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、全密閉運行、無污染等特點是中小口徑油品流量計校準的理想設備。

工作原理:校準前開啟閥1、2關閉閥3，由伺服電機通過滾珠絲杠帶動活塞在主動體積管中運動，產生標準流量源(標準流量的大小由上位機軟件通過調節電機轉速進行控制)，液體通過閥1流經被校流量計，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準體積流量值實現流量計的校準。

圖1 主動體積管裝置原理圖

2 裝置的改造方案

2.1 裝置現有不足分析及改造方案

前文已經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行時間就得到體積流量。為了保證裝置的相對擴展不確定度U=0.08%(k=2)，要求每次校準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，即每次校準體積要大于等于2.0645 L。這樣在校準小流量時時間太長，效率太低，如以校準5 L/h為例需要的校準時間為1486.44 s，為了提高微小流量的校準效率需要對現有的裝置進行改造。

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準器。現有裝置只是在微小流量校準時效率不高，但其能產生微小流量源且足夠穩定(小于等于0.05%)，因此考慮采用第二種方式，可大大節約成本。

2.2 裝置現有指標及改造后指標

改造前指標:

流量范圍:(100～10000)L/h

裝置的擴展不確定度:U=0.08%，k=2;

改造指標:

流量范圍:(1～100)L/h

裝置的擴展不確定度:U=0.05%，k=2;

2.3 主標準器選型

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

在本項目中最大流量的檢定時間最長可達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，為兩臺天平設計了減震底座。對于MS8001S與MS503天平由于其分辨力較高，現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玻璃外框對其密封，避免空氣流動對它的影響。

依據校準機構給出的證書得到其A類與B類不確定度分別為

2.4 換向機構的設計

換向器的主要作用是將液體換入或換出容器，便于電子天平進行稱量，是高準確度質量法裝置的必備部件。現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對介質粘度敏感，掛壁現象嚴重［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，在現有的開式換向器基礎上進行了相應的改進。采用二位三通快響應電磁閥進行換向(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行檢定［2］，確保換向機構的高準確度。兩臺天平各配置一臺換向器。

依據檢定規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 采集控制系統設計

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、天平讀數等，其中關鍵部分為脈沖信號采集。

采用傳統的脈沖信號采集方式時，為了保證儀表系數的檢定精度計數器的計量準確度為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。針對這一問題設計了雙時間計數模塊，確保在裝置的最短測量時間內1～10000Hz的測頻誤差小于0.01%。

依據檢定規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、微小流量校準的高準確度流量標準裝置主要有如下創新與特點:

依據液體裝置檢定規程，質量法體積流量合成相對標準不確定度為:

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。

經計算u=0.024%，取包含因子k=2，于是擴展相對不確定度為

符合改造技術要求。

4 不確定度驗證

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

表2 不確定度數據驗證表

由表2可知在6～100L/h流量范圍內裝置比對的En值小于1，證明了裝置相對擴展不確定度達到設計要求。

5 結束語

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

［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］.計量學報.2008，29:420-422.

［3］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG164-2000液體流量裝置檢定規程［S］.北京:中國計量出版社，2000.