關(guān)于飛機(jī)系統(tǒng)模擬試驗中流量計在線校準(zhǔn)技術(shù)的探討

倪君菲 柯一春 盛承勛 /

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海201210)

0 引言

在飛機(jī)系統(tǒng)地面模擬試驗中，液體介質(zhì)流量是需要測量的重要參數(shù)之一。如在飛機(jī)電源系統(tǒng)集成試驗中，對發(fā)電機(jī)冷卻設(shè)備管路中潤滑油流量進(jìn)行測量和監(jiān)控，往往對試驗的正常開展起到重要作用。各類液體流量計可以測量液體介質(zhì)流量，其中流量顯示儀表顯示是流量測量的常見方式，雖然流量計一般都自帶有流量顯示，但由于其往往安裝于管路中，無法便捷觀察流量顯示值，最終還是會選擇另配流量顯示儀表以便于實時查看流量變化。

流量計按其測量原理不同，可分為多種類型，如渦輪流量計、差壓流量計、渦街流量計、超聲波流量計等。為實現(xiàn)流量測量，流量計內(nèi)部結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜，甚至包含有其他傳感器，如某些高精度的差壓流量計，其內(nèi)部集成了壓力傳感器、溫度傳感器、差壓變送器，進(jìn)行溫度、壓力補償，通過壓力、溫度、壓差三參數(shù)測量計算得出流量值。

流量計及其流量顯示儀表傳統(tǒng)計量方式是分別拆卸后送計量技術(shù)機(jī)構(gòu)實驗室檢定/校準(zhǔn)，計量完成后再裝回原處。拆裝、檢定/校準(zhǔn)都耗費時間，并且拆裝過程容易損壞流量計和流量顯示儀表，這種計量方法耗時費力，還可能影響飛機(jī)系統(tǒng)試驗進(jìn)度。同時，在實驗室檢定/校準(zhǔn)中，由于流量計的連接方式、液體介質(zhì)和流量顯示方式等因素影響同樣會給實驗室流量計計量帶來困難。因此，隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展，對于流量計和流量顯示儀表的計量開始逐漸傾向于現(xiàn)場在線校準(zhǔn)。

1 流量計實驗室計量弊端分析

1.1 流量計連接方式

本期專題:民機(jī)計量與檢測

目前流量計與管路最常見的連接方式主要有螺紋接連和法蘭連接兩種，如圖1所示的橢圓齒輪流量計，其連接方式就是法蘭連接。圖2所示是齒輪流量計，其連接方式為螺紋連接。在實際流量計計量中會出現(xiàn)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置構(gòu)造和被校準(zhǔn)流量計的連接方式不匹配的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致計量困難。如上海某計量技術(shù)機(jī)構(gòu)，其計量齒輪流量計的標(biāo)準(zhǔn)裝置在柴油介質(zhì)下只能計量法蘭連接方式的流量計，如果要計量螺紋連接方式的流量計需另外加工直管段和法蘭，無形中就提高了計量的成本，也延長了計量時間。

圖1 橢圓齒輪流量計圖

圖2 齒輪流量計圖

1.2 液體介質(zhì)

國防科技工業(yè)4113二級計量站的王俊濤、桑培勇等人利用已建立的燃油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，對渦輪流量計在航空燃油和航空潤滑油兩種不同液體介質(zhì)下進(jìn)行了性能測試和比較，發(fā)現(xiàn)渦輪流量計在兩種不同液體介質(zhì)中儀表系數(shù)不同，同時線性差別也較大。因此得出不同液體介質(zhì)粘度會對渦輪流量計測量性能產(chǎn)生較大影響[1]。

某飛機(jī)系統(tǒng)地面模擬試驗中所用齒輪流量計的液體介質(zhì)是航空潤滑油，該介質(zhì)主要起潤滑和冷卻作用。目前，計量技術(shù)機(jī)構(gòu)在流量計計量時主要采用水和柴油兩種介質(zhì)，與實際使用的潤滑油在密度和黏度上都存在差異。同時對于齒輪流量計，水介質(zhì)容易造成流量計內(nèi)部結(jié)構(gòu)生銹，導(dǎo)致流量計測量精度下降，甚至損壞。

1.3 流量顯示方式

圖1所示的橢圓齒輪流量計，其自帶計數(shù)器指針顯示被測液體介質(zhì)的累積流量，同時其內(nèi)部發(fā)信器也可將被測液體介質(zhì)流量轉(zhuǎn)換成電脈沖信號輸出給流量顯示儀表，由其顯示流量值。實際使用時，由于流量計安裝在管路里，流量值讀取一般只查看流量顯示儀表的顯示值。圖2所示的齒輪流量計無自帶顯示功能，但其內(nèi)部放大器可將被測液體介質(zhì)流量轉(zhuǎn)換成電脈沖信號輸出給流量顯示儀表顯示流量值。某些計量技術(shù)機(jī)構(gòu)在計量如圖1所示的橢圓齒輪流量計時，往往讀取流量計自帶計數(shù)器的指針顯示作為流量計測量值，但是常年使用的計數(shù)器由于其內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損容易造成計數(shù)器指針走快或走慢，從而導(dǎo)致流量計測量精度下降，甚至出現(xiàn)超差的現(xiàn)象。

1.4 流量計拆卸與安裝

在飛機(jī)系統(tǒng)地面模擬試驗中，液體流量計一般安裝于管道內(nèi)，同時某些位置的流量計安裝復(fù)雜，不便拆卸，拆卸過程中必然也會導(dǎo)致管道內(nèi)液體介質(zhì)流出，造成浪費。一些大口徑流量計體積較大、質(zhì)量重，運輸送檢也極為不便。

2 流量計在線校準(zhǔn)方法

針對章節(jié)1中提到的液體流量計實驗室計量所存在的弊端，本研究提出采用比對法來對流量計開展現(xiàn)場在線校準(zhǔn)，根據(jù)流量測量原理不同，可將該方法分為稱重比對法和流量計比對法兩種。

2.1 稱重比對法

所謂稱重比對法，即是在管路中液體介質(zhì)流場穩(wěn)定的狀態(tài)下，將某段時間t內(nèi)流經(jīng)流量計的液體介質(zhì)導(dǎo)出至某一容器內(nèi)，再用電子秤對這些液體介質(zhì)進(jìn)行稱重，得到液體介質(zhì)質(zhì)量m，時間t則由電子秒表測量得到，假設(shè)液體介質(zhì)密度是ρ，則可得出：

1)流經(jīng)流量計的液體介質(zhì)質(zhì)量流量M=m/t；

2)流經(jīng)流量計的液體介質(zhì)體積流量Q=m/(ρ·t)。

將M或Q與流量顯示儀表顯示值比對即可得出被校準(zhǔn)流量計及其顯示儀表對液體介質(zhì)流量測量的示值誤差。

稱重比對法所需主要校準(zhǔn)設(shè)備見表1，這些設(shè)備須經(jīng)有資質(zhì)計量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定/校準(zhǔn)，計量結(jié)果符合預(yù)期使用要求且在計量有效期內(nèi)。

表1 主要校準(zhǔn)設(shè)備

稱重比對法實施的簡易圖如圖3所示。

圖3 稱重比對法實施簡易圖

稱重比對法實行必須具備以下條件：

1)管路中必須留有旁路引流口可將流經(jīng)流量計的液體介質(zhì)導(dǎo)出至容器中；

2)如需得到體積流量Q需事先了解液體介質(zhì)的密度或用密度計現(xiàn)場測量得到。

稱重比對法操作簡單，計算方便，但其實條件相對苛刻，同時時間t由人工根據(jù)電子秒表得到，容易帶入人為誤差，從而導(dǎo)致質(zhì)量流量M和體積流量Q計算不準(zhǔn)確。

2.2 流量計比對法

流量計比對法是被校準(zhǔn)流量計與更高精度流量計同時對液體介質(zhì)進(jìn)行流量測量，測量結(jié)果進(jìn)行相互比對得出被校準(zhǔn)流量計及其顯示儀表對液體介質(zhì)流量測量的示值誤差，例如在管路里接入更高精度的流量計、管路外夾裝臨時超聲波流量計等。

2.2.1 管路里接入高精度流量計比對法

流量計比對法中常用的一種方法是在被校準(zhǔn)流量計管路中接入更高精度流量計，以該流量計作為標(biāo)準(zhǔn)流量計，與被校準(zhǔn)流量計同時測量液體介質(zhì)流量，測量結(jié)果進(jìn)行相互比對得出被校準(zhǔn)流量計及其顯示儀表對液體介質(zhì)流量測量的示值誤差。

該方法所用主要校準(zhǔn)設(shè)備見表2，接入的高精度流量計應(yīng)經(jīng)有資質(zhì)計量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定/校準(zhǔn)，計量結(jié)果符合預(yù)期使用要求且在計量有效期內(nèi)。

表2 主要校準(zhǔn)設(shè)備

該方法的原理框圖如圖4所示：

圖4 管路里接入高精度流量計比對法原理框圖

該方法目前已運用到某型號飛機(jī)系統(tǒng)地面模擬試驗的流量計計量中，其操作簡單方便，可直接得到液體介質(zhì)質(zhì)量流量M或體積流量Q，無需換算。同時該方法實行需具備一個重要條件：管路需留有接口可讓高精度流量計接入到管路中，必要時需要加工相關(guān)配件，如用于接入高精度流量計的管路等。

2.2.2 超聲波流量計比對法

超聲波流量計用于流量計在線校準(zhǔn)的主要方法為時差法[2]，它是聲波在液體介質(zhì)中傳播，由于受到液體介質(zhì)順流、逆流影響，傳輸會出現(xiàn)時間差，通過推算這個時間差與液體介質(zhì)流速存在的換算關(guān)系，進(jìn)而得到液體介質(zhì)的流量。通常認(rèn)為聲波在流體中的實際傳播速度是由介質(zhì)靜止?fàn)顟B(tài)下聲波的傳播速度(cf)和流體軸向平均速度(vm) 在聲波傳播方向上的分量組成。按圖5，順流和逆流傳播時間與各量之間的關(guān)系如式(1)和式(2)所示[3]：

圖5 超聲波在流體中傳輸各量示意圖

(1)

(2)

式中：

tup——超聲波在流體中逆流傳播的時間；

tdown——超聲波在流體中順流傳播的時間；

L——聲道長度；

cf——聲波在流體中傳播的速度；

vm——流體的軸向平均流速；

φ——聲道角。

利用式(1)和式(2)即可得到液體介質(zhì)軸向平均流速如式(3)所示：

(3)

將式(3)得到的vm乘以管道橫截面即可得到液體介質(zhì)的體積流量。

按超聲波流量計使用說明書要求，將其安裝于被校準(zhǔn)流量計管路上。把超聲波流量計作為標(biāo)準(zhǔn)流量計，與被校準(zhǔn)流量計同時測量液體介質(zhì)流量，測量結(jié)果進(jìn)行相互比對得出被校準(zhǔn)流量計及其顯示儀表對液體介質(zhì)流量測量的示值誤差。該方法原理框圖與圖4相同。

該方法所用主要校準(zhǔn)設(shè)備見表3。所用超聲波流量計應(yīng)經(jīng)有資質(zhì)計量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定/校準(zhǔn)，計量結(jié)果符合預(yù)期使用要求且在計量有效期內(nèi)。

表3 主要校準(zhǔn)設(shè)備

超聲波流量計比對法在流量計在線校準(zhǔn)中有其不可替代的優(yōu)勢：超聲波流量計體積小，便于攜帶，安裝相對方便；適用范圍廣，可用于各種類型流量計的在線比對；適應(yīng)性強，可用于不同管徑，不同介質(zhì)的比對[4]。但是，目前便攜式超聲波流量計精度一般在±0.5%左右，無法校準(zhǔn)高精度的流量計。同時超聲波流量計受制于其自身測量方式，其測量精度還受以下幾方面影響：

1)超聲波流量計安裝距離。一般情況下，安裝距離應(yīng)根據(jù)上下游位置的不同來確定：在上游，應(yīng)選擇大于10倍直管徑的位置；在下游，應(yīng)選擇5倍直管徑以內(nèi)沒有彎頭、閥門等材質(zhì)均勻的直管段。此外，安裝的地點應(yīng)盡量避開高壓電、變頻器等主要干擾物，且直管段的長度應(yīng)盡量加長，這樣更有利于消除各種不利因素[5]。

2)管道要求。在超聲波流量計上、下游直管段范圍內(nèi)，管道內(nèi)壁應(yīng)清潔，無明顯凹痕、銹蝕、結(jié)垢等現(xiàn)象。

3)需事先了解管道直徑、管道壁厚等參數(shù)或現(xiàn)場用卷尺、測厚儀等量具多次測量取平均值得到。對無法測量的參數(shù)，如管道材質(zhì)、襯里材料等，根據(jù)技術(shù)資料查明并確認(rèn)[6]。

4)確認(rèn)校準(zhǔn)環(huán)境條件。比如現(xiàn)場的溫度、濕度、外磁場及機(jī)械振動等,應(yīng)小到對被校準(zhǔn)流量計和超聲波流量計的影響忽略不計。同時應(yīng)確認(rèn)管道內(nèi)為單相穩(wěn)定流、滿管流且不含氣泡[7]。

3 結(jié)論與展望

液體流量計現(xiàn)場在線校準(zhǔn)既避免了其傳統(tǒng)實驗室計量所存在的弊端，又可以解決因多種原因?qū)е铝髁坑嬰y以拆卸送檢計量的難題。在保證流量計數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上，提高了工作效率，節(jié)省了時間，在緊張的飛機(jī)系統(tǒng)地面模擬試驗進(jìn)程中，必將對保證試驗的質(zhì)量和試驗的節(jié)點發(fā)揮重要作用。

在線校準(zhǔn)是計量技術(shù)發(fā)展的趨勢。一方面，隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的不斷發(fā)展，將會有更多高端測試設(shè)備、測量方法出現(xiàn)，如更高精度的超聲波流量計的產(chǎn)生。另一方面，應(yīng)積極推進(jìn)“可計量性”、“可檢測性”理念的發(fā)展，在產(chǎn)品設(shè)計研制階段就能考慮產(chǎn)品的可計量性，為后續(xù)產(chǎn)品周期計量奠定基礎(chǔ)。