可移動高效組合式浮子流量計(jì)檢定裝置的研制

李晶晶　吳曉昱　桑素麗　王建民　周齊　滕梓潔　史去非　李晨

摘要：針對建設(shè)專用裝置檢定浮子流量計(jì)，場地占用大且無法滿足實(shí)流檢定的問題，研制一種流量范圍為0.006～16m³/h的可移動浮子流量計(jì)檢定裝置。裝置原理為靜態(tài)質(zhì)量法，1臺150kg的高準(zhǔn)確度電子秤為主標(biāo)準(zhǔn)器。用專用電動換向器，保證換向同步性。設(shè)計(jì)基于可編程邏輯控制器（PLC）的控制系統(tǒng)，通過對夾表器夾緊力的實(shí)時監(jiān)測，大幅度降低被測浮子流量計(jì)玻璃管在安裝過程中損壞的可能性。采用液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程中的方法對整套裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及不確定度評定，得到其擴(kuò)展不確定度為0.25%（k=2）。裝置具有方便移動、可拆卸、可快速組合的特點(diǎn)，能夠滿足準(zhǔn)確度等級1.0級及以下浮子流量計(jì)實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場校準(zhǔn)的需求。

關(guān)鍵詞：計(jì)量學(xué);浮子流量計(jì);可移動液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

中圖分類號：TH71 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）08-0100-06

收稿日期：2019-04-26;收到修改稿日期：2019-05-12

基金項(xiàng)目：2018年國產(chǎn)質(zhì)監(jiān)領(lǐng)域計(jì)量科學(xué)儀器驗(yàn)證評價與推廣（2181100009518012）;北京市計(jì)量檢測科學(xué)研究院青年基金項(xiàng)目（KJ2018-14）

作者簡介：李晶晶（1982-），女，黑龍江大慶市人，高級工程師，博士后，主要從事流量計(jì)量領(lǐng)域技術(shù)和方法研究。

通信作者：李晨（1980-），男，北京市人，高級工程師，碩士，研究方向?yàn)榱髁亢腿萘坑?jì)量。

0 引言

浮子流量計(jì)是一種使用簡單、讀數(shù)方便的瞬時體積流量測量儀表，適用于低流速液體流量特別是低雷諾數(shù)情況下的微小流量測量工況[1]。因其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、流量穩(wěn)定、可測低流速介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，浮子流量計(jì)被廣泛用于電力、石化、化工、冶金、醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)、污水處理等領(lǐng)域。

浮子流量計(jì)工作介質(zhì)自下而上流動，不能水平安裝。檢定介質(zhì)與刻度介質(zhì)不同時需要進(jìn)行刻度換算和粘度修正[4，5]。國內(nèi)各技術(shù)機(jī)構(gòu)和企業(yè)現(xiàn)有水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置無法檢測浮子流量計(jì)，需建立專用檢定裝置，場地占用大且功能單一。另外，實(shí)驗(yàn)室對浮子流量計(jì)的檢定通常在水流量裝置上進(jìn)行，無法模擬出實(shí)際介質(zhì)條件。雖然實(shí)驗(yàn)室檢定可給出儀表在標(biāo)準(zhǔn)條件下的計(jì)量性能，但會因?qū)嶋H使用條件、介質(zhì)的物性參數(shù)甚至介質(zhì)本身的變化而帶來附加誤差。因此，研究可移動檢定裝置，實(shí)現(xiàn)被檢流量計(jì)工況條件下的現(xiàn)場計(jì)量，對浮子流量計(jì)的檢測具有重要意義。

本文建立了一套可移動、可與各種液體流量裝置高效組合的浮子流量計(jì)檢定裝置，能夠快速將水平流場轉(zhuǎn)換為適于浮子流量計(jì)檢定的垂直流場，很好的滿足了多參數(shù)、多規(guī)格、各種液體工作介質(zhì)浮子流量計(jì)的現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室檢測需求。

1 浮子流量計(jì)檢定裝置測量原理

流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是流量儀表進(jìn)行檢測完成量值傳遞的重要設(shè)備，是保證流量儀表質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。依據(jù)測量方法可將流量標(biāo)準(zhǔn)裝置分為靜態(tài)質(zhì)量法、靜態(tài)容積法、動態(tài)質(zhì)量法和動態(tài)容積法[6]。本文設(shè)計(jì)的浮子流量計(jì)檢定裝置為靜態(tài)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，流量源恒壓，流量穩(wěn)定，測量精度高。靜態(tài)質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測量原理是將一定時間內(nèi)通過流量計(jì)的介質(zhì)，經(jīng)由換向器全部導(dǎo)入置于稱量標(biāo)準(zhǔn)器上的容器中，然后測量容器中介質(zhì)的質(zhì)量從而得到流過流量計(jì)的介質(zhì)質(zhì)量，再通過測量時間得到質(zhì)量流量[6，7]。數(shù)學(xué)模型為

Q=∫_t1^t2q_md_t=m/t

（1）式中：Q——累積質(zhì)量流量，kg/s;

q_m——瞬時質(zhì)量流量，kg/s;

m——測量時間內(nèi)稱量容器內(nèi)的液體質(zhì)量示值，kg;

t，t₁，t₂——測量時間，s。

2 浮子流量計(jì)檢定裝置方案設(shè)計(jì)

2.1 裝置設(shè)計(jì)指標(biāo)

浮子流量計(jì)被廣泛應(yīng)用于小管徑、低流速測流領(lǐng)域。以液體為例，口徑10mm以下玻璃管浮子流量計(jì)滿度流量的名義管徑，流速只在0.2～0.6m/s之間，甚至低于0.1m/s[8]。常用浮子流量計(jì)口徑為DN15～DN50，對應(yīng)的流量范圍和準(zhǔn)確度等級分別見表1和表2。

根據(jù)常用流量計(jì)口徑、準(zhǔn)確度等級和流量測量范圍進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)指標(biāo)見表3。裝置設(shè)計(jì)采用測量精度較高的靜態(tài)質(zhì)量法，流量范圍0.006～16m³/h，滿足常用口徑DN15～DN50液體浮子流量計(jì)檢定需求。浮子流量計(jì)檢定裝置的擴(kuò)展不確定度應(yīng)優(yōu)于被檢流量計(jì)最大允許誤差的1/2[9]。最高準(zhǔn)確度等級浮子流量計(jì)為1.0級（表2），因此組合裝置的擴(kuò)展不確定度應(yīng)優(yōu)于0.5%。為保證測量準(zhǔn)確性，浮子流量計(jì)安裝傾斜角度應(yīng)<2°[9]。為了方便裝置的移動、拆卸和高效組裝，整套裝置高度應(yīng)不超過2m。

2.2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浮子流量計(jì)檢定裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1，其主體為2個長方體框架，由浮子流量計(jì)裝夾表系統(tǒng)和稱量系統(tǒng)（含水流換向系統(tǒng)）組成。浮子流量計(jì)裝夾表系統(tǒng)中部為工作臺面，臺面一側(cè)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調(diào)節(jié)固定。進(jìn)水管路上依次安裝有快速接頭、開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥和排水閥。裝置上端設(shè)置手動夾表器，實(shí)現(xiàn)被檢浮子流量計(jì)的安裝與拆卸。稱重系統(tǒng)包括換向器、稱量容器和電子秤。稱重系統(tǒng)下部為工作臺面，同樣安裝水平尺、腳輪和可伸縮支腳，實(shí)現(xiàn)被檢浮子流量計(jì)與稱重系統(tǒng)的連通。

裝置設(shè)置2個檢定臺位，DN25以下包括DN15、DN20和DN25為一條管線，另一個為DN32、DN40和DN50浮子流量計(jì)檢定臺位。采用變換管段的方式，在有限的2個工作臺位上覆蓋了DN15～DN50所有管徑浮子流量計(jì)的檢定能力。一個臺位工作的同時可在另一個臺位安裝被檢表，可有效提高檢定效率。

機(jī)械設(shè)計(jì)上，采用電動數(shù)控?fù)Q向器和夾表器超限報(bào)警，提高檢測過程的自動化和智能化程度。首先，電動換向器控制精度高，且在現(xiàn)場不具備壓縮空氣的情況下仍可使用。其次，在夾裝過程中，浮子流量計(jì)尤其是無導(dǎo)向結(jié)構(gòu)流量計(jì)的玻璃管極易被氣動夾表器夾碎，采用帶有夾緊力超限報(bào)警功能的手動夾表器可以有效解決這個問題。再次，浮子流量計(jì)的正確檢測需要垂直穩(wěn)定流場，對進(jìn)、出口管1.稱量系統(tǒng)可移動平臺及支架;2.稱重容器回水管道快裝型法蘭;3.稱重容器回水管道;4.調(diào)整水平（微調(diào)高度）的機(jī)械結(jié)構(gòu);5.稱重容器排水管道與回水管道連接的漏斗;6.高精度電子秤;7.稱重容器排水管道;8.稱重容器排水底閥;9.稱重容器;10.電動換向器;11.換向器旁通管道快裝型法蘭;12.換向器旁通管道;13.稱量系統(tǒng)與浮子裝夾表系統(tǒng)連接法蘭;14.浮子裝夾表系統(tǒng)與稱量系統(tǒng)連接的法蘭;15.浮子裝夾表系統(tǒng)可移動平臺及支架;16.檢定管線分支管線;17.DN25檢定管線選通閥;18.DN25檢定管線前直管段;19.DN25及以下口徑被檢浮子流量計(jì);20.夾表器下法蘭泄流管和泄流閥;21.DN25手動夾表器;22.浮子裝夾表系統(tǒng)與主液體流量裝置的管道連接法蘭;23.DN50檢定管線選通閥;24.調(diào)整水平（微調(diào)高度）的機(jī)械;25.浮子裝夾表系統(tǒng)支撐平臺上的泄流管和泄流閥;26.DN50檢定管線前直管段;27.浮子裝夾表系統(tǒng)支撐平臺的水平程度指示氣泡;28.DN50，DN40，DN32口徑被檢浮子流量計(jì);29.夾表器下法蘭泄流管和泄流閥;30.DN50手動夾表器;31.匯流管道。

圖1浮子檢定裝置結(jié)構(gòu)示意圖道同軸度和工作臺面的垂直度要求比較嚴(yán)格。通過水平泡調(diào)節(jié)工作臺面的水平度，可保證被檢流量計(jì)的傾斜度小于2°。

2.3 裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝置控制部分主要包括夾緊力控制系統(tǒng)、換向器控制系統(tǒng)和稱重控制系統(tǒng)（圖2），獲取電子稱讀數(shù)、控制夾表器、控制換向器動作、控制底閥開關(guān)、脈沖計(jì)數(shù)等由計(jì)算機(jī)完成。在夾緊力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，考慮到被檢浮子流量計(jì)容易損壞，在每個夾表器上安裝夾緊力傳感器（夾緊力測試儀1和夾緊力測試儀2）。當(dāng)夾緊力過大時，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行夾緊力超限報(bào)警，提示操作人員停止夾緊動作;換向器控制系統(tǒng)中，換向器是液體流量裝置的重要組成部分，其不確定度大小對裝置整體合成不確定度有較大影響[10-11]。影響換向器精度的主要因素是實(shí)際注水時間和觸發(fā)光電信號所產(chǎn)生時間之間的誤差[12]。本裝置采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動分水器換向，由PLC發(fā)送脈沖控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、加速度和轉(zhuǎn)動角度。通過PLC的高速脈沖輸出通道，向換向器的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器按照勻加速一定速一勻減速的方式發(fā)送脈沖，換向器電機(jī)帶著換向器導(dǎo)流體進(jìn)行加速一勻速一減速的運(yùn)行。精確控制換向器運(yùn)動，保證裝置不確定度水平;稱重控制系統(tǒng)中，裝置主標(biāo)準(zhǔn)器高精度電子秤通過485通信模式，將傳感器讀數(shù)傳輸至PLC控制器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)采集。

2.4 裝置連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

浮子流量計(jì)檢定裝置和液體流量裝置連接后的系統(tǒng)示意圖如圖3，組合裝置由儲水系統(tǒng)、水源循環(huán)穩(wěn)壓系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、裝夾表系統(tǒng)、水流換向系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)器和儀表檢定管線系統(tǒng)組成。在水流量裝置管段前后安裝三通閥和預(yù)留旁路，通過控制三通閥實(shí)現(xiàn)水流在試驗(yàn)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(jì)檢定裝置的入、出口相連，形成浮子流量計(jì)檢定回路。浮子流量計(jì)檢定裝置和液體流量裝置連接成高效組合裝置，將水平流場轉(zhuǎn)換成適合浮子流量計(jì)檢定的垂直流場。

3 浮子流量計(jì)檢定裝置的不確定度分析

依據(jù)JJG164-2000液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程對浮子流量計(jì)檢定裝置進(jìn)行不確定度評定[11]。不確定度分量主要包括計(jì)時器、電子秤和換向器。利用北京計(jì)量院水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為動力源，對研發(fā)的浮子流量計(jì)檢定裝置進(jìn)行不確定度評定。換向器在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置各組成部分中極為關(guān)鍵，在整個裝置不確定度中占有相當(dāng)比重，是整個裝置不確定度的主要來源[10]，本文采用行程差法對換向器換入/換出重復(fù)性誤差進(jìn)行測量。浮子流量計(jì)檢定裝置各不確定度分量評定結(jié)果見表4和表5。

依據(jù)JJG164-2000，浮子流量計(jì)檢定裝置的合成不確定度u=0.1095%，裝置的擴(kuò)展不確定度U=k·u=223×0.1095%=02441%≈0.25%（k=2.23）。

1.0級為浮子流量計(jì)的最高準(zhǔn)確度等級，浮子流量計(jì)檢定裝置的擴(kuò)展不確定度應(yīng)優(yōu)于被檢流量計(jì)最大允許誤差的1/2[9]。組合裝置擴(kuò)展不確定度0.25%，滿足最高等級浮子流量檢定要求。

4 解決的問題

本文解決的問題包括：

1）采用電動數(shù)控?fù)Q向器技術(shù)，解決移動裝置在現(xiàn)場應(yīng)用時，由于不具備壓縮空氣，帶來的換向稱重系統(tǒng)無法使用的問題。

2）采用帶有夾緊力超限報(bào)警功能的手動夾表器，解決玻璃管浮子流量計(jì)夾裝過程中，容易被夾表器損壞的問題。

3）解決了多種工作介質(zhì)浮子流量計(jì)的檢測問題。本裝置可與各種裝置包括水流量、油流量、高黏液體流量等連通，實(shí)現(xiàn)各種浮子流量計(jì)包括玻璃浮子流量計(jì)、金屬浮子流量計(jì)和塑料浮子流量計(jì)等的在線檢測，無需刻度換算和粘度修正。

4）提高了檢測效率。裝置設(shè)計(jì)2個被檢表臺位，每個臺位都有各自的開關(guān)閥和流量調(diào)節(jié)閥。相互獨(dú)立、互不影響，在檢測一臺流量計(jì)的同時可以更換另一臺位的被檢表。

5 結(jié)束語本文設(shè)計(jì)了一種可移動、拆卸方便、可快速組合的浮子流量計(jì)檢定裝置，為保證測量精度采用電動換向器減少換入/換出行程差和重復(fù)性誤差，為避免浮子流量計(jì)被夾碎設(shè)計(jì)了夾緊力報(bào)警功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，組合裝置的不確定度（U=0.25%，k=2.23）可有效滿足DN15～DN50，流量范圍0.006～16m³/h浮子流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場檢定需求。

參考文獻(xiàn)

[1]葛利俊.提高浮子流量計(jì)測量精度的研究[D].天津：天津大學(xué)，2011.

[2]黃邵峰，陳潔，曹毅杰，等.基于現(xiàn)場浮子流量計(jì)組的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2016，29（1）：14-15.

[3]岳秋琴，董因濤.金屬管浮子流量計(jì)智能檢測控制系統(tǒng)研制[J].重慶電子工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，21（1）：159-161.

[4]陳李.浮子流量計(jì)檢定介質(zhì)與刻度介質(zhì)不同時的刻度換算和粘度修正方法[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2013，40（6）：60-62.

[5]郝松，劉娜，劉尚玉.流體粘度對浮子流量計(jì)測量影響的試驗(yàn)研究[J].輕工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2017，3：72-73.

[6]蔡潔，海寧，林峰.靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)流量計(jì)不確定度分析的討論[J].工業(yè)計(jì)量，2013，23（4）：60-63.

[7]王杰，李旭.靜態(tài)質(zhì)量法油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度分析[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2016，43（2）：83-87.

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

[9]浮子流量計(jì)檢定規(guī)程：JJG257-2007[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[10]馬龍博，鄭建英，趙建亮.液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中開式換向器測量誤差實(shí)驗(yàn)研究[J].自動化儀表，2015，36（4）：60-67.

[11]液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程：JJG164-2000[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[12]李崢.水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度和流量穩(wěn)定性研究[D].天津：天津大學(xué)，2009.

（編輯：劉楊）