連續(xù)測量活塞式液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計和應(yīng)用

趙建亮 杜偉鵬 馬龍博 陳果夫

(浙江省計量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310018)

連續(xù)測量活塞式液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計和應(yīng)用

趙建亮 杜偉鵬 馬龍博 陳果夫

(浙江省計量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310018)

為獲得較高水平的測量不確定度，并在測量過程中使流體保持定常流，設(shè)計了以形狀規(guī)則、尺寸均勻的圓柱體活塞作為關(guān)鍵計量機構(gòu)的液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。裝置通過控制伺服電機驅(qū)動活塞作任一勻速直線運動，使活塞均勻等量置換出活塞缸體內(nèi)的流體，以實現(xiàn)計量功能。研究表明，裝置體積測量的準(zhǔn)確度與活塞加工精度、機械安裝和相關(guān)量的測量等有關(guān)。在綜合考慮各種因素的基礎(chǔ)上，通過分析和推導(dǎo)，建立了適合工程實際應(yīng)用的測量模型和校準(zhǔn)模型。經(jīng)實踐應(yīng)用，驗證了裝置測量模型設(shè)計和應(yīng)用的有效性。

活塞 流量 體積校準(zhǔn) 不確定度 穩(wěn)定性 電子水表 電機 上位機 標(biāo)準(zhǔn)裝置

0 引言

收集法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[1]能獲得較高水平的測量不確定度，但由于存在流體流入和流出收集容器的過程，使其不能保持完全的定常流測量過程；標(biāo)準(zhǔn)表法液體流量標(biāo)準(zhǔn)[2]能保持完全的定常流測量過程，但標(biāo)準(zhǔn)表需要經(jīng)過上一級流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的量值溯源，故難以實現(xiàn)較高水平的測量不確定度。基于連續(xù)體積測量的活塞式液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和量值溯源，則可以很好地結(jié)合這二者的優(yōu)點。活塞式液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的應(yīng)用在國內(nèi)仍處于起步階段，相關(guān)文獻(xiàn)[3-6]對其基本原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用有了較多的論述。而從計量學(xué)角度深入分析符合工程應(yīng)用的測量模型和解決量值溯源的校準(zhǔn)模型的論述不多見，有關(guān)指標(biāo)驗證的論述也不多見。為解決電子式水表的計量檢測問題，在國家質(zhì)檢總局的資金資助下開展了基于連續(xù)體積測量的活塞式液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計研究。通過實物裝置制造以及大量試驗驗證，形成了技術(shù)性總結(jié)。活塞式液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在計量原理上既是流量發(fā)生源，又是計量標(biāo)準(zhǔn)器，具有保持自身和被測對象流態(tài)不變的特點，且能實現(xiàn)較好的流量穩(wěn)定性，避免了傳統(tǒng)液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置存在的啟停效應(yīng)或換向效應(yīng)的缺點，有利于提高測量不確定度水平。裝置還具有自成一體、結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能的特點，不必建造水池，無需對建筑物提出特殊結(jié)構(gòu)要求，非常適合用作小規(guī)格流量計量儀表的量值溯源標(biāo)準(zhǔn)。

1 裝置的原理和設(shè)計

1.1 裝置的基本結(jié)構(gòu)

連續(xù)測量活塞式液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計的基本理論依據(jù)是：采用形狀規(guī)則均勻的活塞幾何體作為運動部件，通過控制活塞勻速運動等量置換出活塞缸體內(nèi)的流體來實現(xiàn)計量功能。因此，活塞是標(biāo)準(zhǔn)裝置關(guān)鍵的計量機構(gòu)，實現(xiàn)了活塞體積的計量即實現(xiàn)了流體體積的計量。實踐中，活塞通常設(shè)計并加工成尺寸均勻的圓柱體，表面鍍鉻以增加光潔度和硬度，達(dá)到防腐和耐磨的目的。

連續(xù)測量活塞式液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Structure of the standard facility

活塞裝置是一個自循環(huán)系統(tǒng)：當(dāng)活塞向缸外運動時，缸內(nèi)形成負(fù)壓，水箱的水在大氣壓作用下流入并充滿活塞缸內(nèi)腔；測量時，控制系統(tǒng)的控制伺服電機以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，通過減速機構(gòu)帶動精密絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠副將活塞向缸內(nèi)均勻推進(jìn)，活塞按固定的速率置換出等量流體，并推動流體流向被校準(zhǔn)的流量計，再流回水箱。活塞的運動距離通過光柵尺進(jìn)行測量，光柵尺輸出代表長度量值的脈沖信號，控制系統(tǒng)對脈沖信號進(jìn)行采集，并按給定的數(shù)學(xué)模型計算出活塞運動體積。活塞運動體積即裝置輸出的標(biāo)準(zhǔn)體積，將其與流量計體積示值進(jìn)行比較，即實現(xiàn)了對流量計的校準(zhǔn)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)體積的公式導(dǎo)出

裝置設(shè)計要實現(xiàn)在額定范圍內(nèi)可輸出連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)體積，且可在任意區(qū)間內(nèi)使用。根據(jù)活塞形狀，可得標(biāo)準(zhǔn)體積的基礎(chǔ)模型如式(1)所示。

(1)

式中:V為標(biāo)準(zhǔn)體積，L；d為活塞直徑，mm；l為活塞的相對位移，mm。

活塞的相對位移l由光柵尺測量得到。為保證光柵尺與活塞運動軸線平行，在裝置設(shè)計時已考慮了光柵尺機械安裝的參考平面。然而在實際加工和安裝過程中，光柵尺與活塞的運動軸線之間難以保證理論上的絕對平行，仍會存在一定的空間夾角。設(shè)水平方向的空間夾角為α，垂直方向的空間夾角為β，對位移進(jìn)行修正，故將式(1)轉(zhuǎn)換為式(2)。

(2)

式(2)是將活塞直徑視作固定值的理想計算式。事實上，機械加工過程中圓柱體在不同位置的直徑勢必存在偏差，也存在一定的橢圓度，即d并不是嚴(yán)格的常量，而是關(guān)于l的變量。理論上存在d=f(l)，故標(biāo)準(zhǔn)體積的理論計算式應(yīng)為式(3)。

(3)

(4)

式中:Kc為與裝置的機械加工和安裝有關(guān)的綜合修正系數(shù)，無量綱。平均直徑通過測量活塞多個截面的直徑后計算得到；如果測量困難，且經(jīng)驗證實際值與設(shè)計值差異微小，也可以用設(shè)計值代替。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)體積的校準(zhǔn)

根據(jù)式(4)，要計算裝置輸出的標(biāo)準(zhǔn)體積必須先獲得Kc值。按量值溯源的原則，采用更高不確定度水平的計量標(biāo)準(zhǔn)器具復(fù)現(xiàn)式(4)中的V值，即可獲得Kc值。

體積量值溯源到質(zhì)量量值的示意圖如圖2所示。

圖2 質(zhì)量量值溯源示意圖

Fig.2 Traceability of mass value

將修正系數(shù)Kc作為被測量，由式(4)得到式(5)。

(5)

式中:Cf為電子天平的浮力修正系數(shù)，無量綱數(shù)，取1.001 1；M為水的質(zhì)量，由電子天平稱量得到，kg；ρ20為20℃水的密度,kg/L。

通過校準(zhǔn)，對Kc進(jìn)行了賦值，從而將上一級計量標(biāo)準(zhǔn)器具的量值傳遞到活塞裝置。

校準(zhǔn)時，將裝置的活塞按有效行程范圍等體積分成若干段，按式(5)校準(zhǔn)出每一段的修正系數(shù)Kc值。校準(zhǔn)理想的環(huán)境溫度應(yīng)控制在(20±2)℃，水溫應(yīng)與環(huán)境溫度保持相同。

表1是設(shè)計活塞式液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置所依據(jù)的主要參數(shù)，測量介質(zhì)為水。

表1 標(biāo)準(zhǔn)裝置主要參數(shù)表Tab.1 Main parameters of the piston type standard facility

將該活塞裝置均勻分成15個體積段，按每段5 L的間隔進(jìn)行校準(zhǔn)，得到每一體積段的修正系數(shù)Kc值分別為：0.999 755、1.000 057、0.999 780、0.999 598、1.000 004、0.999 804、0.999 503、0.999 628、0.999 934、0.999 624、0.999 564、0.999 749、0.999 622、0.999 734、0.999 778。

根據(jù)校準(zhǔn)得到的一列Kc值,可以按活塞位移擬合成曲線或折線，以消除主要系統(tǒng)誤差，由計算機系統(tǒng)代入式(4)，計算裝置輸出的標(biāo)準(zhǔn)體積。

采用折線法修正后再對裝置的標(biāo)準(zhǔn)體積進(jìn)行校準(zhǔn)，以驗證標(biāo)準(zhǔn)體積的不確定度水平[7-8],結(jié)果見表2。

表2 修正后裝置標(biāo)準(zhǔn)體積V的不確定度Tab.2 Uncertainty of the standard volume V after correction

由表2可知，標(biāo)準(zhǔn)體積V的不確定度值隨著使用體積增大而逐漸收斂，且當(dāng)體積大于10 L時收斂趨于平緩，在20 L時達(dá)到了極限值。這種變化趨勢與預(yù)期完全相符。

校準(zhǔn)得到裝置在20 ℃條件下的標(biāo)準(zhǔn)體積，當(dāng)流體實際溫度偏離20 ℃時，設(shè)為θ，活塞推出的流體的實際體積應(yīng)按式(6)修正。

(6)

式中：Va為活塞推出的流體的實際體積，L；βs為活塞材料的體積膨脹系數(shù)，1/℃；θ為實際工作條件下的流體溫度，℃。

1.4 流量控制設(shè)計

裝置設(shè)計要實現(xiàn)在預(yù)期的流量范圍內(nèi)工作，流量的大小由計算機系統(tǒng)控制。計算機給出流量輸出指令，驅(qū)動伺服電機以給定的速度旋轉(zhuǎn)，經(jīng)減速機構(gòu)減速后由精密絲杠推動活塞勻速前進(jìn)。當(dāng)目標(biāo)流量為q時，將流量為體積與時間之商代入式(4)，得到活塞的推進(jìn)速度s如式(7)所示。

(7)

式中:s為活塞推進(jìn)速度，mm/s；q為裝置的目標(biāo)流量，L/s。

已知活塞的推進(jìn)速度，按式(8)計算電機轉(zhuǎn)速。

(8)

式中:n為電機轉(zhuǎn)速，r/min；ph為精密絲杠副的導(dǎo)程，mm；i為減速機構(gòu)的傳動比，無量綱數(shù)。

流量控制的目標(biāo)一是要控制流量輸出值與設(shè)定值之間的偏離在允許范圍內(nèi)，二是要獲得持續(xù)穩(wěn)定的瞬時流量。試驗表明，對電機轉(zhuǎn)速實行無反饋調(diào)節(jié)的定值開環(huán)控制所得到的流量穩(wěn)定性最佳。

流量穩(wěn)定性[9]的評價方法是通過記錄一段時間內(nèi)的一列瞬時流量值(不少于60個)，用自相關(guān)函數(shù)[1]計算得到流量穩(wěn)定性的值。

裝置典型流量點的穩(wěn)定性測試結(jié)果見表3。

表3 穩(wěn)定性測試結(jié)果表Tab.3 Test results of stability

流量穩(wěn)定性是評價液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置性能的重要指標(biāo)，穩(wěn)定性良好的裝置尤其適用于對流場變化敏感的流量儀表進(jìn)行測試分析。測試結(jié)果表明，活塞式液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)較高的流量穩(wěn)定性指標(biāo)，這一方面取決于裝置自身的流量產(chǎn)生機理符合一維無渦流動的條件，另一方面則是在設(shè)計和制造時已綜合考慮了電機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性、機械傳動機構(gòu)運轉(zhuǎn)的平滑性和流體管道系統(tǒng)阻力件的結(jié)構(gòu)等因素。由表3也可發(fā)現(xiàn)，在小流量的條件下，流量穩(wěn)定性出現(xiàn)了一定程度的劣化，但水平與高位恒水頭溢流法裝置基本相當(dāng)。出現(xiàn)劣化的主要原因是：在低速運動時，由于電機運轉(zhuǎn)的均勻性弱化，以及低推力下摩擦阻力的作用更顯著，導(dǎo)致了機械運轉(zhuǎn)平滑性變差，這也是機械傳動設(shè)計所要關(guān)注的重要環(huán)節(jié)。

1.5 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)的設(shè)計需要綜合考慮控制流程、信號特征、計量檢測方法和可靠性等因素。考慮到伺服電機的旋轉(zhuǎn)反饋信號和光柵尺輸出信號均是高頻脈沖信號，計量檢測方法中也需要獲得較高的時間測量精度，構(gòu)建了上下位機分層控制的系統(tǒng)設(shè)計方案。控制系統(tǒng)原理框圖如3所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理框圖

Fig.3 Principle of the control system

下位機是基于ARM處理器的控制器，工作頻率為66 MHz，采用了溫度漂移系數(shù)為0.5×10-6的恒溫晶振來保證工作頻率運行穩(wěn)定性，也有利于保證高頻脈沖計數(shù)和時間測量的精度。利用控制器運行速度快、接收信號頻率范圍寬的特點，直接并獨立控制活塞系統(tǒng)，包括所有信號的采集和輸出，以及過程參數(shù)的運算處理，直至完成一次完整測量任務(wù)后才將數(shù)據(jù)上傳給上位機。

上位機采用通用計算機，不直接參與控制，主要負(fù)責(zé)向下位機寫入控制和測量方案，以及后臺數(shù)據(jù)處理和存儲。這種設(shè)計有利于提高控制系統(tǒng)的可靠性和響應(yīng)及時性，避免出現(xiàn)由于通信的滯后導(dǎo)致的控制輸出滯后，特別是當(dāng)電機在高速運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)意外時，下位機能夠不依賴上位機而快速發(fā)出保護(hù)指令。

2 應(yīng)用驗證

2.1 測量方案

電子水表是流量計量儀表的一種，通常測量范圍比較寬，輸出信號為低頻脈沖信號，小流量區(qū)域的頻率甚至低于1 Hz。對于這一類信號特征的流量計量儀表，采用圖4所示的雙時間測量方案[10]進(jìn)行校準(zhǔn)測量。該測量方案由上位計算機寫入ARM控制器。

電子水表安裝在活塞裝置的工作臺上(見圖1)，上位計算機給出測量指令后，ARM控制器即進(jìn)入自動測量程序，裝置按給定程序完成信號的采集和測量，將測量數(shù)據(jù)上傳到上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和儲存。

圖4 雙時間測量方案流程圖

Fig.4 Flowchart of double time measuring program

測量得到裝置的標(biāo)準(zhǔn)體積Va和對應(yīng)的時間ta，水表的累計脈沖數(shù)Ni和對應(yīng)的時間ti。水表的指示體積按式(9)計算。

Vi=CiNi

(9)

式中:Ci為脈沖當(dāng)量，L；Vi為水表的指示體積，L。

由于裝置時間ta和ti不相等，按示值誤差定義，計算時應(yīng)修正到相等的時間，故示值誤差E按式(10)計算。

(10)

2.2 驗證結(jié)果及裝置設(shè)計的其他關(guān)注事項

對一組公稱通徑為DN15的電子水表進(jìn)行測試，所得測試數(shù)據(jù)如表4所示。

分析表4可知，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出良好的測量重復(fù)性，將除以ta得到裝置的流量值，流量也具有良好的復(fù)現(xiàn)性。這樣的數(shù)據(jù)特征與裝置的原理特征相符，表明裝置的設(shè)計達(dá)到了預(yù)期的效果。

裝置設(shè)計除了涉及計量性能、控制方案和計量檢測方法等方面，還應(yīng)關(guān)注安全和可靠性等事項[11-16]，如精密絲杠的精度等級和力學(xué)特性，裝置的工作載荷、密封結(jié)構(gòu)、過載保護(hù)、行程保護(hù)，以及流體管道系統(tǒng)的阻力系數(shù)和阻力件結(jié)構(gòu)等；此外，還應(yīng)關(guān)注裝置的可維護(hù)性和自身校準(zhǔn)功能的便利性。總之，只有進(jìn)行綜合考慮，才能設(shè)計出綜合性能滿足要求的裝置。

表4 DN15電子水表測試數(shù)據(jù)表Tab.4 Test data of DN15 electronic water meter

3 結(jié)束語

活塞式液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計和制造需要通盤考慮計量測試、機械制造、自動控制和計算機應(yīng)用等技術(shù)，應(yīng)在理論模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實際進(jìn)行推導(dǎo)修正，以獲得滿足實踐應(yīng)用的測量模型。裝置的設(shè)計還需要解決量值溯源性問題，根據(jù)設(shè)計目標(biāo)和測量模型導(dǎo)出校準(zhǔn)模型，確定具體的校準(zhǔn)方法，保證裝置具有足夠的不確定度水平。

需要說明的是，在設(shè)計過程中采用提高精密絲杠等級的方法來提高絲杠力學(xué)特性和傳動精度的裕度，以忽略絲杠的影響，客觀上增加了裝置的制造成本。絲杠的影響機理仍然有待于進(jìn)一步研究，以獲得更準(zhǔn)確的定量分析方法，從而有利于找出進(jìn)一步提高裝置性能的途徑，也有利于合理控制成本。

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Design and Application of the Piston Type Standard Device for Continuous Liquid Flow Measurement

In order to obtain a higher level of uncertainty,and maintain steady flow of the fluid in measuring process,based on regular shape and uniform size,the cylinder piston is designed and used for the liquid flow standard device as a crucial metering mechanism. Through controlling the servo motor,the device drives the piston to make uniform linear motion and to displace equal amount of fluid inside piston cylinder to realize metering function.The research shows that the accuracy of volume measurement of device is related to the machining precise of the piston,mechanic installation as well as the measurement of relevant quantities. On the basis of comprehensive consideration of various factors,by analyzing and deducing,the measurement model and calibration model are established which are suitable for the practical engineering application.The practice verifies the effectiveness of the measurement model of the device and its design and application.

Piston Flow Volume calibration Uncertainty Stability Electronic water meter Motor Upper computer Standard facility

國家質(zhì)檢總局國家質(zhì)檢中心技術(shù)裝備專項基金資助項目(編號：2014)。

趙建亮(1972—)，男，1994年畢業(yè)于浙江工業(yè)大學(xué)工業(yè)電氣自動化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，高級工程師；主要從事流量計量技術(shù)方向的研究。

TH71;TP23

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612009

修改稿收到日期：2016-05-04。