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    引言

    近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，流量測量技術(shù)得到了高速的發(fā)展，與之相應(yīng)的流量校準(zhǔn)技術(shù)也愈來愈被國內(nèi)外專家學(xué)者和有關(guān)部門重視。

    傳統(tǒng)的液體流量校準(zhǔn)方法有兩類：其一是容積（時(shí)間）法；其二是質(zhì)量（時(shí)間）法。其中，容積法又分為靜態(tài)容積法和動(dòng)態(tài)容積法，質(zhì)量法又分為靜態(tài)質(zhì)量法和動(dòng)態(tài)質(zhì)量法。這四種方法雖在一定范圍內(nèi)能滿足流量校準(zhǔn)的要求，但由于技術(shù)發(fā)展水平的限制，卻存在不少明顯的缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)主要是：

    (1) 裝置體積相對(duì)龐大，占用工作面積大，需要工作介質(zhì)多。

    (2) 不同程度的開放型，是工作介質(zhì)容易揮發(fā)、蒸發(fā)和被污染等，既影響校準(zhǔn)準(zhǔn)確度，又使更換介質(zhì)的周期縮短。

    (3) 由于受本身結(jié)構(gòu)的限制，總準(zhǔn)確度很難再提高。

    (4) 用計(jì)算機(jī)控制比較困難。

    九十年代初，美國推出了一種新型的液體流量校準(zhǔn)裝置，它基本上克服了上述傳統(tǒng)方法的四個(gè)主要缺點(diǎn)。該裝置采用“動(dòng)態(tài)位移――時(shí)間法”測量原理，其基本測量方法是基于容積和時(shí)間的測量，但又完全不同于上述的靜態(tài)容積法和動(dòng)態(tài)容積法。我們用了三年左右的時(shí)間按該原理研制成功了一套滑油流量校準(zhǔn)裝置，其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到并超過了美國該裝置的技術(shù)指標(biāo)。

    1、裝置工作原理

圖1 裝置原理圖

    裝置工作原理如下：

    電機(jī)勻速拖動(dòng)活塞把油從油缸中排出并通過被校流量計(jì)。如果在時(shí)間間隔t內(nèi)活塞移動(dòng)所排出的油的容積為V，則實(shí)際（標(biāo)準(zhǔn)）流量qs為：

    把qs與被校流量計(jì)相應(yīng)的指示流量q相比較，即可確定被校流量計(jì)的誤差，從而達(dá)到校準(zhǔn)流量計(jì)的目的。

    圖1中球柵尺用來測量活塞的位移量。電機(jī)控制單元用來接受計(jì)算機(jī)指令，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。P1、P2和T1、T2分別為兩支壓力和兩支溫度傳感器，其中P1和T1用來測量油缸出口的油壓和油溫，P2和T2用來測量被校流量計(jì)處的油壓和油溫，這四個(gè)量用來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)容積的壓力和溫度修正。由微機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)，并對(duì)測量值進(jìn)行分析計(jì)算，最后輸出校準(zhǔn)結(jié)果。

    圖1中的活塞油缸結(jié)構(gòu)在形式上與活塞式體積管相似，但它們之間存在著本質(zhì)上的不同，具體如下：

    a. 位移――時(shí)間法裝置校準(zhǔn)瞬時(shí)流量，活塞式體積管是校準(zhǔn)累積流量。

    b. 由式（1）可知：

    式（2）中l(wèi)為位移量，A為油缸的環(huán)形內(nèi)截面積。由于油缸的加工保證了A為常數(shù)，故V的測量轉(zhuǎn)化為l的測量。位移――時(shí)間法裝置是動(dòng)態(tài)位移測量，而活塞式體積管是靜態(tài)位移測量。

    c. 位移――時(shí)間法裝置要求活塞運(yùn)動(dòng)是勻速的，而活塞式體積管不要求運(yùn)動(dòng)是勻速的，甚至走走停停都行。

    2、校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)

    2.1 主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

    流量范圍：（0.1-10）m3/h

    裝置不確定度：0.05%

    裝置流量確定性：0.02%

    溫度范圍：室溫-150℃

    2.2 機(jī)械主體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    活塞油缸系統(tǒng)是校準(zhǔn)裝置主體系統(tǒng)的核心。設(shè)計(jì)中主要考慮下述四點(diǎn)：

    (1) 按裝置總不確定度的要求計(jì)算分配給油缸與活塞桿的加工準(zhǔn)確度要求，即平行度和橢圓度要求。

    (2) 活塞、油缸、導(dǎo)軌、電機(jī)軸等之間的配合準(zhǔn)確度要求。

    (3) 設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮裝配時(shí)的便于調(diào)整。

    (4) 活塞運(yùn)動(dòng)過程中的密封性保障。

    2.3 硬件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)測控部分硬件結(jié)構(gòu)分為三個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、I/O通訊模塊、技術(shù)和邏輯控制模塊。這三個(gè)模塊均采用微機(jī)PC總線形式。具體結(jié)構(gòu)如下：

圖2 系統(tǒng)測控部分硬件結(jié)構(gòu)圖

    2.4 軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件主要包括參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)測量、溫度控制、校準(zhǔn)控制、數(shù)據(jù)處理及文檔管理部分，具體如下：

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

    2.5 溫度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    按照裝置總不確定度和溫度范圍的要求，估算確定對(duì)溫度控制和溫度測量準(zhǔn)確度的要求以及整個(gè)系統(tǒng)各部分溫度梯度的要求。

    3、研制達(dá)到的水平

    裝置研制成功后，經(jīng)過一年左右的運(yùn)轉(zhuǎn)、測試、實(shí)驗(yàn)和修改，并經(jīng)以中國計(jì)量科學(xué)研究院為首的測試組的測試，在總不確定度和流量穩(wěn)定性兩項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)上達(dá)到了原設(shè)計(jì)指標(biāo)，即九十年代美國的世界領(lǐng)先水平的指標(biāo)；在溫度范圍方面(最高150℃)超過了美國的水平(最高66℃)；并通過了總公司級(jí)鑒定，評(píng)價(jià)為：國內(nèi)領(lǐng)先，國際先進(jìn)。                                  

    4、裝置的創(chuàng)新與特點(diǎn)

    4.1 由前述原理部分可知，裝置標(biāo)準(zhǔn)流量的獲得關(guān)鍵取決于動(dòng)態(tài)位移了l的測量。位移測量通常的方法是用光柵，我們沒有采用光柵，而采用了有一定風(fēng)險(xiǎn)的英國專利技術(shù)球柵尺。它與光柵相比，具有抗振動(dòng)干擾性強(qiáng)，抗污染性強(qiáng)，長期可靠性好，便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。我們克服了硬件和軟件方面的雙重困難，使球柵尺這項(xiàng)新技術(shù)在我國流量校難裝置上首次應(yīng)用成功。

    4.2 該裝置在校準(zhǔn)具有脈沖輸出的流量計(jì)方面(如最常用的渦輪流量計(jì))，首次成功地應(yīng)用了ISO7278／3脈沖插入技術(shù)(通常稱為雙時(shí)間測量法)。該方法采用了兩個(gè)計(jì)時(shí)器，可以測出流量計(jì)脈沖的小數(shù)值，從而大大提高了校準(zhǔn)分辨率和校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。采用國際標(biāo)準(zhǔn)的成功，一方面便于和國際接軌，另一方面也便于與國際上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)。

    4.3 該裝置可在室溫一150℃的大溫度范圍內(nèi)的任一溫度下，對(duì)流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，這一點(diǎn)在流量校準(zhǔn)領(lǐng)域具有極大的理論和實(shí)踐意義，具體詮釋如下：

    我們知道，流量測量的液體介質(zhì)(如油類、化工類)有上千種之多，常用的也不下一百種，所以不可能每種液體介質(zhì)都建一套流量校準(zhǔn)裝置，只能建立部分必需的液體流量校準(zhǔn)裝置，而且由于裝置復(fù)雜，清洗困難，液體介質(zhì)問互不相容，經(jīng)濟(jì)代價(jià)太大等原因，國內(nèi)外皆不主張也沒采用更換介質(zhì)的辦法對(duì)使用于不同介質(zhì)的流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，因此對(duì)多數(shù)液體介質(zhì)所使用的流量計(jì)，只能用與其使用介質(zhì)不同的介質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn)，這樣就產(chǎn)生了流量計(jì)在校準(zhǔn)介質(zhì)與使用介質(zhì)不同時(shí)其儀表系數(shù)K的修正問題。對(duì)同一支渦輪流量計(jì)來說，介質(zhì)不同影響其儀表系數(shù)K的主要因素是介質(zhì)的粘度(v)和密度(ρ)，而更主要的是粘度。校準(zhǔn)介質(zhì)與使用介質(zhì)不同對(duì)渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)K的修正問題，是一個(gè)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)和理論問題，是目前國內(nèi)外流量測量領(lǐng)域的不少專家學(xué)者正在致力研究的問題，問題的圓滿解決還相差很遠(yuǎn)。

    我們研制的裝置以它具有大范圍變溫校準(zhǔn)的特點(diǎn)，為上述修正問題的解決提供了一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)條件。

    該裝置的重要用途舉例如下：

    (1) 用該裝置和《變溫模擬校準(zhǔn)法》研究粘度(v)對(duì)渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)K的影響。

    如上述，v和ρ對(duì)K造成主要影響，應(yīng)使ρ相對(duì)固定，即要求校淮介質(zhì)和使用介質(zhì)偽ρ比較接近。我們裝置用的介質(zhì)4050號(hào)滑油，密度近于1(與水接近)  粘度很大(20℃時(shí)為58cst)，這樣就可以選一支性能穩(wěn)定的渦輪流量計(jì)，先用水在室溫下校出K值(．水v：1cst)  然后在我們的裝置上，用通過改變溫度從而改變4050號(hào)滑油粘度(v)的方法在不同的粘度下校出K值，即可得出v對(duì)K的具體影響。

    (2) 用該裝置和《變溫模擬校準(zhǔn)法》研究密度(ρ)對(duì)渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)K的影響。

    研究ρ對(duì)K的影響，要相對(duì)固定v值。選一支性能穩(wěn)定的渦輪流量計(jì)，用中國計(jì)量科學(xué)研究院的變壓器油流量校難裝置在室溫(自然溫度，不能變溫)下校出K值，如在室溫26℃下(這時(shí)變壓器油的v＝21cst，ρ≈0．86)校出K值，然后在我們的滑油裝置上；在滑油粘度為21cst下進(jìn)行校準(zhǔn)（這時(shí)滑油的溫度應(yīng)升到45℃，因滑油的粘度――溫度曲線已知，滑油ρ≈0.97），得出K值。這樣既可對(duì)得到粘度相同、密度不同對(duì)流量計(jì)儀表系數(shù)K的影響。

    (3) 該裝置的進(jìn)一步應(yīng)用，還可用來研究并更令人滿意地解決粘度對(duì)渦輪流量計(jì)性能的影響，即瓊斯（Jones）近年來提出的《通用粘度曲線法》，該方法優(yōu)于傳統(tǒng)的K系數(shù)試驗(yàn)和理論分析方法。

    4.4 該裝置準(zhǔn)確度高，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小（占地面積小，相當(dāng)于傳統(tǒng)裝置的1/5），技術(shù)含量高，而且是封閉運(yùn)行，安全可靠。

    5、裝置的推廣應(yīng)用價(jià)值

    由于下述兩方面的分析，該裝置在我國極具推廣價(jià)值：

    (1) 該裝置的全部關(guān)鍵技術(shù)，包括活塞油缸系統(tǒng)的加工研制、電機(jī)穩(wěn)速系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)位移測量系統(tǒng)、ISO7278/3的實(shí)施技術(shù)、溫度控制系統(tǒng)等，全部由國內(nèi)我們自行突破，不會(huì)在關(guān)鍵技術(shù)上依賴或受控于國外。

    (2) 該裝置的原理原則上適用于所有液體流量校準(zhǔn)裝置，特別適用于各種油和高粘度液體的流量校準(zhǔn)裝置；裝置主體系統(tǒng)加工安裝好后，裝什么介質(zhì)，就是什么介質(zhì)的流量校準(zhǔn)裝置，不會(huì)因?yàn)榻橘|(zhì)的不同而影響裝置的總不確定度。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 《滑油渦輪流量計(jì)校準(zhǔn)裝置》技術(shù)研究報(bào)告。張寶珠，1997

    [2] Determination of Turbine Meter Usable Turndown, Paul D. Olivier, Flow Dynamics, Ins (P739~745,1995)

    [3] Effect of Kinematic Viscosity on Performance of Turbine Flowmeters―Solution to the Problem, Frank E. Jones, Independent Consultant (P379~389,1995)