可移動浮子流量計檢定裝置的設計與實現

（天津市計量監督檢測科學研究院，天津 300192）

浮子流量計是一種借助浮子在充滿流體的垂直錐形管中升降，指示流體體積流量的流量儀表。浮子流量計由于其具有結構簡單、制造方便、流量示值直觀、使用維護方便、壓力損失小等特點[1-2]，被大量地應用于電力、石化、化工、冶金、醫藥等行業，因此企業對浮子流量計的量值溯源需求迫切。區別于其它類型的流量計，絕大部分浮子流量計只能垂直安裝，且介質由下向上通過流量計，而目前國內大部分水流量標準裝置只能提供水平方向的流場，這就要求計量技術機構和生產企業引進專用的浮子流量計檢定裝置[3-4]，這具有以下缺點：①一套完整裝置的建設需要大量的資金投入；②專用裝置靈活性差，應用面窄；③占地面積大，對實驗室空間要求較高。

為完成浮子流量計的檢定工作并避免建設專用裝置帶來的種種缺點，本文設計了一種移動式浮子流量計檢定裝置。

1 裝置的結構設計

目前大部分計量技術機構的液體流量實驗室均具備水平流向的水流量試驗裝置，為了充分利用現有資源，本文擬設計一種可移動浮子流量計檢定裝置，將其與水流量裝置連接后可把水平流場轉換為由下至上的垂直流場。

以天津計量院的水流量標準裝置為例，裝置試驗管路前后預留了旁路，通過控制三通閥門可實現水流在試驗管路和旁路之間的切換，三通閥的一端分別通過軟管與可移動浮子流量計檢定裝置的入、出口相連，形成浮子流量計檢定回路。水流量標準裝置與可移動浮子流量計檢定裝置連接后的試驗系統（下文稱之為組合裝置）如圖1所示。

圖1 組合裝置連接示意Fig.1 Schematic diagram of connection of combined device

可移動浮子流量計檢定裝置結構設計如圖2所示，其主體為一個長方體框架，框架中部為工作臺面，臺面一側安裝有水平尺，框架底部安裝有4個腳輪和4條可伸縮支腳，便于裝置的移動和固定。進水管路上依次安裝快速接頭、開關閥、調節閥、排水閥。裝置上端設置氣動夾緊器，實現被檢流量計的安裝與拆卸。

圖2 可移動浮子流量計檢定裝置Fig.2 Design drawing of movable liquid flowrate standard facility

裝置設計測量口徑范圍為DN（15～50），主管路選用DN50口徑。為保證裝置在寬流量范圍內靈活地調節試驗流量，在進水管路上并聯了DN10和DN25的流量調節支路。在機械設計上，對進、出口管道同軸度和與工作臺面的垂直度要求嚴格，可通過調節工作臺面水平保證被檢流量計的傾斜度小于2°[5]。

2 裝置的水利阻力特性研究

可移動浮子流量計檢定裝置需借助現有的水流量標準裝置提供動力，因此，在裝置結構設計完成后，需進一步研究組合裝置的水利阻力特性，驗證能否達到設計的流量范圍。

通過查閱浮子流量計行業標準[6]和產品手冊，確定了各口徑對應的常見流量范圍，如表1所示，并針對此進行裝置設計和水利阻力特性的研究。

表1 浮子流量計各口徑常見流量范圍Tab.1 Usual flow range of different pipe diameter for float meter

為保證組合裝置的測量范圍能覆蓋表1中的常見流量范圍，需計算裝置的水利阻力并驗證水流量標準裝置的動力源能否在克服水利阻力的前提下達到常見的最大流量。

水流量標準裝置由一臺揚程為100 m/22 kW的立式水泵提供動力，主標準器為60 kg和600 kg電子秤，次級標準為4臺口徑分別為DN50、DN15、DN6、DN2.5的電磁流量計，裝置的流通能力計算圖如圖3所示。根據設計，選通l6號管線時，流量調節范圍為（4～50）m3/h，l5號管線對應（0.6～4）m3/h流量，l4號管線對應（0.1～0.6）m3/h 流量，l3號管線對應（0.03～0.1）m3/h 流量，l7號管線對應（0.004～0.03）m3/h流量。

以DN40口徑為例計算裝置的最大水頭損失。根據試驗流量不同，需在2種水流路徑中選擇，當被檢浮子流量計的試驗流量在（0.16～0.6）m3/h范圍內時，將水流切換至l4管段，利用DN6電磁流量計指示瞬時流量，下文簡稱為路徑1；當被檢浮子流量計的試驗流量在（0.6～4）m3/h范圍內時，將水流切換至l5管段，利用DN15電磁流量計指示瞬時流量，下文簡稱為路徑2。由于水頭損失與介質流速的平方成正比，因此分別計算這2種水流路徑中0.6 m3/h和4 m3/h流量下的水頭損失作為各自路徑中的最大水頭損失。

圖3 水流量標準裝置流通能力計算圖Fig.3 Flow capacity of liquid flowrate standard facility of horizontal flow field

路徑2的沿程阻力系數λi和局部阻力系數ξi如表2所示。根據式（1）和表2計算水流量試驗裝置的水頭損失hw水為18.14 m。

可移動浮子流量計檢定裝置檢定DN40口徑流量計時的流通能力計算圖如圖4所示，其沿程阻力系數λi和局部阻力系數ξi如表3所示。根據式（1）和表3計算可移動浮子流量檢定裝置的水頭損失hw浮為0.35 m。裝置最大總水頭損失 hw可根據式（2）得到，即 18.49 m。

表2 路徑2中水流量標準裝置的沿程阻力系數和局部阻力系數Tab.2 Frictional resistant coefficient and local resistant coefficient of path 2 for liquid flowrate standard facility of horizontal flow field

圖4 可移動浮子流量計裝置流通能力計算圖Fig.4 Flow capacity of movable liquid flowrate standard facility

用同樣的方法計算得到路徑1的裝置最大總水頭損失hw為8.67 m。可知檢定DN40口徑浮子流量計時，組合裝置的最大水頭損失為18.49 m。

根據伯努利方程，水泵出口處與換向器出口處單位質量水的總能量相等，如式（3）所示：

式中：p泵和p換分別為泵和換向器出口處的水壓；v泵和v換分別為泵和換向器出口處的水流速；ΔH為泵口與換向器出口的垂直高度差。

式（3）可轉化為

表3 路徑2中可移動浮子流量計檢定裝置的沿程阻力系數和局部阻力系數Tab.3 Frictional resistant coefficient and local resistant coefficient of path 2 for movable liquid flowrate standard facility

式中，H0為泵的等效揚程。為了保證組合裝置能達到設計的最大流量，須滿足式（5）：

式中：H0max為泵的最大楊程，即100 m；Hx為裝置的作用水頭，經計算，裝置的最大作用水頭為21.59 m，滿足條件，裝置可達到預設的最大流量值。

同理，檢定各口徑流量計時，組合裝置的最大作用水頭如表4所示。經計算，在各試驗口徑下裝置均滿足式（5）的關系，證明裝置可達到設計的最大流量。

表4 裝置各口徑的最大作用水頭Tab.4 Efficient water head of different pipe diameter for the facility

3 裝置的不確定度分析

根據文獻[7]提供的裝置不確定度評定方法，靜態質量法流量標準裝置的不確定度分量主要包括計時器、衡器、換向器引入的不確定度，這三部分分量均只與水流量標準裝置有關，可移動浮子流量計檢定裝置未引入額外的不確定度分量，因此，組合裝置與水流量標準裝置的不確定度相同，根據中國測試技術研究院出具的證書，質量流量擴展不確定度為0.05%（k=2），而體積流量擴展不確定度為 0.2%（k=2）。

根據文獻[5]的要求，用于檢定浮子流量計的裝置的擴展不確定度應優于被檢流量計最大允許誤差的1/2。由于浮子流量計的最高準確度等級為1.0級，其最大允許誤差為1.0%，因此裝置的擴展不確定度應至少為0.5%，可見組合裝置的不確定度遠遠優于此項指標。

4 裝置的流量穩定性試驗

流量穩定性是衡量液體流量標準裝置性能的重要技術指標，該指標的優劣直接影響浮子流量計誤差試驗的結果。本節將針對組合裝置進行流量穩定性試驗。

根據設計加工完成可移動浮子流量計檢定裝置，將其與水流量標準裝置連接，組成如圖5所示的試驗系統。

圖5 可移動浮子流量計檢定裝置及試驗系統Fig.5 Experimental system of movable liquid flowrate standard facility

根據文獻[7]的規定，在裝置最大流量和最小流量下進行穩定性試驗，并取最大值作為裝置的流量穩定性，因此，選擇DN50口徑下的10 m3/h和DN15口徑下的0.006 m3/h作為試驗流量點，分別使用600 kg和60 kg電子秤連續測量10次流量qi（i=1，2…，10），求取平均值 q，并根據式（6）計算流量穩定性，得到10 m3/h和0.006 m3/h流量下，裝置的流量穩定性分別為0.22%和0.28%，因此，組合裝置的流量穩定性為0.28%，說明裝置具有良好的流量穩定性。

5 結語

本文設計了一種可移動浮子流量計檢定裝置，該裝置可與水流量裝置連接，把水平流場轉換為由下至上的垂直流場，并用于浮子流量計的檢定。新裝置具有較強的靈活性，節省了引進專用浮子流量計檢定裝置所需的高額費用。本文針對新裝置進行了水利阻力特性研究，驗證了設計方案的可行性。之后加工完成了該裝置，并對組合裝置進行了不確定度分析和穩定性試驗，結果表明裝置的參數特性符合要求。

[1]孫仁偉.浮子流量計的發展介紹[J].自動化與儀表，2005，20（5）：29-31.

[2]樸立華，張濤，孫立軍.浮子流量計壓力損失的實驗研究[J].化工自動化及儀表，2010，37（1）：56-59.

[3]張東飛，耿存杰.一種水浮子流量計檢定裝置[J].工業計量，2016，26（1）：24-25.

[4]王金華，陳煜，劉彥軍，等.浮子流量計檢定裝置的研制[J].計測技術，2007，27（4）：58-60.

[5]JJG 257-2007浮子流量計[S].北京：國家質量監督檢驗檢疫局，2007.

[6]JB/T 9255-1999玻璃轉子流量計[S].北京：國家機械工業局，1999.

[7]JJG 164-2000液體流量標準裝置檢定規程[S].北京：國家質量監督檢驗檢疫局，2000.