車曉紅　成　立　湯方平

摘要:綜述了國(guó)內(nèi)外在流量計(jì)標(biāo)定技術(shù)、流量計(jì)原位標(biāo)定方法和國(guó)內(nèi)現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)原位標(biāo)定裝置的一些研究成果,分析了流量原位標(biāo)定裝置研制的發(fā)展趨勢(shì)。指出為保證試驗(yàn)臺(tái)流量精度,應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際情況綜合分析,采用合理的流量計(jì)原位標(biāo)定裝置,達(dá)到既保證精度要求又降低造價(jià)的目的。提出應(yīng)在試驗(yàn)臺(tái)原位標(biāo)定方法、原位標(biāo)定系統(tǒng)不確定度及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在原位標(biāo)定過(guò)程的應(yīng)用等方面開(kāi)展深入研究。

關(guān)鍵詞:試驗(yàn)臺(tái);原位標(biāo)定;流量;進(jìn)展

中圖分類號(hào):TV131.6;TK730.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-1683(2009)05-0049-03

Review on the Flow Calibration of High-Precision-Hydromachine-Test-Rig

CHE Xiao-hong1,CHENG Li2,TANG Fang-ping2

(1.Hanjiang Radio & TV University,Yangzhou 225009,China;

2.Hydrodynamic Engineering Laboratory of Jiangsu,Yangzhou University,Yangzhou 225009,China)

Abstract: The paper summarizes some research results in China and abroad: calibration technique of flowmeters,the methods of discharge calibration for test rig and systems of calibration. The trend of calibration system is analyzed. According to the comprehensive analysis,suitable calibration system should be adopted to achieve both decreasing cost and ensuring accuracy. Depth researches on application of methods of calibration,uncertainty synthesis of system and computer control technique in the process of calibration are suggested.

Key words: test rig;calibration;discharge;review

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,水電站及水泵站現(xiàn)代化建設(shè)也得到快速發(fā)展,工程的建設(shè)、發(fā)展,迫切需要對(duì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展深入研究:如性能優(yōu)異的新型水力機(jī)械;葉輪及流道整合的系統(tǒng)(裝置)的水力特性、動(dòng)力特性、汽蝕特性、穩(wěn)定性等。高精度的水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)滿足了這些需求,國(guó)內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)主要分布在哈爾濱東方電機(jī)廠、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、揚(yáng)州大學(xué)、河海大學(xué)、江蘇大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)和高校,國(guó)外有Adelize國(guó)際水力機(jī)械獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室、日立公司、美國(guó)Laval大學(xué)[1]、法國(guó)Federal Polytechnic試驗(yàn)臺(tái)[2]等。

水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)主要工作參數(shù)有揚(yáng)程、流量、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等,其中流量的測(cè)量是難度最大的,它對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試精度起著決定性的作用。為保證試驗(yàn)臺(tái)精度和試驗(yàn)穩(wěn)定性,除了選擇高精度的測(cè)流設(shè)備外,還需有高精度的流量原位標(biāo)定手段。

本文綜述了流量計(jì)標(biāo)定技術(shù)和水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)原位標(biāo)定系統(tǒng)研究現(xiàn)狀,指出了流量標(biāo)定裝置研制的發(fā)展趨勢(shì),并提出了試驗(yàn)臺(tái)原位標(biāo)定研究的方向。

1 流量計(jì)標(biāo)定方法

目前世界上流量計(jì)標(biāo)定方法主要有兩種:直接測(cè)量法和間接測(cè)量法[3-4]。

1.1 直接測(cè)量法

直接測(cè)量法又稱為實(shí)流檢定法,是以實(shí)際流過(guò)被檢流量計(jì),在用標(biāo)準(zhǔn)裝置(標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)量器具或標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì))測(cè)出其流過(guò)流量計(jì)的流量與被檢流量計(jì)的流量示值比較。實(shí)流檢定法測(cè)得的流量值既可靠又準(zhǔn)確,是目前許多國(guó)家在標(biāo)定流量計(jì)時(shí)所采用,而且是作為建立標(biāo)準(zhǔn)流量的方法。

實(shí)流校驗(yàn)分為離線實(shí)流校驗(yàn)和在線實(shí)流校驗(yàn)。

離線實(shí)流校驗(yàn)是將流量計(jì)置于實(shí)驗(yàn)室的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上(見(jiàn)圖1)在參比條件下測(cè)得流量計(jì)流量測(cè)量范圍及其基本誤差。這類裝置具有規(guī)范化的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的檢驗(yàn)規(guī)程。目前我國(guó)大部分流量計(jì)標(biāo)定采用該方法。

在線實(shí)流校驗(yàn)則是將流量計(jì)安裝在現(xiàn)場(chǎng)管道上,設(shè)置適合在現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的流量裝置,不一定完全符合參比條件下校驗(yàn)的要求。校驗(yàn)結(jié)果所得誤差為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際誤差,包含基本誤差和附加誤差兩部分。現(xiàn)場(chǎng)在線校驗(yàn)只能獲得實(shí)際誤差,不能按參比條件確定其基本誤差?，F(xiàn)場(chǎng)在線校驗(yàn)時(shí),應(yīng)按實(shí)際使用條件靈活地確定標(biāo)定方案。

1.2間接測(cè)量方法

間接測(cè)量法是以測(cè)量流量計(jì)或傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸或其他與計(jì)算流量有關(guān)的量,并按規(guī)定方法使用間接地校準(zhǔn)流量計(jì)獲得相應(yīng)的準(zhǔn)確度。作為間接測(cè)量法的典范,標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)中已標(biāo)準(zhǔn)化了的孔板、噴嘴和文丘利管,就是檢測(cè)其幾何尺寸與校驗(yàn)配套差壓計(jì)的差壓值,而其他(如電磁、渦街流量計(jì))間接測(cè)量法還正在標(biāo)準(zhǔn)化研究中。大管徑、大流量的測(cè)量迫在眉睫。

大型實(shí)流檢定流量計(jì)所用的設(shè)備造價(jià)昂貴、很難普遍建立。目前世界上解決該問(wèn)題的趨勢(shì)是采用直接法和間接法相結(jié)合的方法。例如對(duì)流量較小的中、小口徑的流量計(jì)作實(shí)流校驗(yàn)(定量標(biāo)定)后,采用串聯(lián)解決小流量實(shí)流標(biāo)定。在用實(shí)流標(biāo)定之后的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì),采用并聯(lián)解決大口徑流量計(jì)的實(shí)流標(biāo)定。

2 水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)流量原位標(biāo)定方法

目前,國(guó)內(nèi)外水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)流量測(cè)試采用的流量計(jì)[5-6]主要有:標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)、孔板流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等,其中在高精度實(shí)驗(yàn)室中采用最多的是電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)和文丘里流量計(jì),雖然它們初期投入使用正常,但隨著時(shí)間的推移,如何保證測(cè)試準(zhǔn)確度,對(duì)實(shí)驗(yàn)室維護(hù)人員提出了較高的要求。由于使用的環(huán)境、安裝條件的影響,流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試不確定度仍將發(fā)生變化。為了保證流量計(jì)的流量值和準(zhǔn)確度,必須對(duì)流量計(jì)進(jìn)行原位流量檢定或標(biāo)定。

所謂原位校正是指測(cè)量?jī)x表在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)安裝好的條件下用高一級(jí)精度儀表進(jìn)行的校正。原位校正后的流量計(jì)精度,與高一級(jí)精度的儀表精度有關(guān)。

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范[7],能在試驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)高精度流量測(cè)量的方法如表1所示。

其他的流量測(cè)量方法如標(biāo)準(zhǔn)孔板,標(biāo)準(zhǔn)文吐里管、堰、速度面積法、示蹤法,由于測(cè)量精度不高,在高精度測(cè)試中難予考慮。上表的基本方法(原級(jí)方法)中,稱重法具有最高測(cè)量精度,但需要有大型稱重容器。一般用高精度天平對(duì)精度的容積進(jìn)行校正,校正時(shí)間應(yīng)大于60 s,適用于流量小于1.5 m³/s的流量測(cè)量;容積法,一般仍用高精度天平對(duì)精確的容積[25]進(jìn)行校正,校正時(shí)間應(yīng)大于60 s,可用于較大流量測(cè)量。

原級(jí)方法一般用于原位校正。例如,葉片泵能量特性試驗(yàn)[8],一條試驗(yàn)特性曲線(流量與揚(yáng)程、泵效率等的關(guān)系)一般應(yīng)測(cè)試13～15個(gè)流量點(diǎn),并應(yīng)在一次試驗(yàn)中完成。而原級(jí)試驗(yàn)方法,每測(cè)試一個(gè)流量點(diǎn)需要較長(zhǎng)時(shí)間,因而一般在高精度試驗(yàn)中是采用經(jīng)過(guò)事先原級(jí)方法原位校正的流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量的,其系統(tǒng)誤差可保證在±(0.3%～1%)范圍。

3 國(guó)內(nèi)已建試驗(yàn)臺(tái)流量原位標(biāo)定裝置

3.1 東方電機(jī)廠DF-18大能量水輪機(jī)模型試驗(yàn)臺(tái)[9]

DF-18大能量水輪機(jī)模型試驗(yàn)臺(tái)于1997年建成,主要用于貫流式、軸流式及低水頭混流式等高比速水輪機(jī)的研究性模型試驗(yàn)。

流量的測(cè)量采用國(guó)產(chǎn)M960型雙向電磁流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量,水平布置在管道系統(tǒng)的最底層,設(shè)計(jì)的管路系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的雙向原位標(biāo)定,流量計(jì)前后直管段長(zhǎng)達(dá)10 m。流量計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)由水庫(kù)、2 t標(biāo)準(zhǔn)量筒、90 t校正桶、流量切換器、時(shí)間測(cè)量裝置等部分組成。標(biāo)定流量采用稱重法。2 t標(biāo)準(zhǔn)量筒采用精度為±1/20 000的標(biāo)準(zhǔn)砝碼標(biāo)定后作為90 t校正桶的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn),稱重誤差小于±0.01%。用校正桶對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定,經(jīng)原位標(biāo)定的電磁流量計(jì),其重復(fù)度小于±0.2%。

3.2 富春江水電設(shè)備總廠水力機(jī)械通用試驗(yàn)臺(tái)[10]

富春江水電設(shè)備總廠水力機(jī)械通用試驗(yàn)臺(tái)于1984年新建,于1992年通過(guò)原能源部組織的技術(shù)鑒定。試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置了兩個(gè)試驗(yàn)段:一個(gè)專用于燈泡貫流式機(jī)組的模型試驗(yàn);另一個(gè)用于立式機(jī)組的模型試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)可供臥式、立式不同類型的反擊式水輪機(jī)、水泵進(jìn)行全面的水力性能試驗(yàn)及模型驗(yàn)收試驗(yàn)。

試驗(yàn)流量采用德國(guó)Fischer-Porter公司生產(chǎn)的D10DK1425型電磁流量計(jì)測(cè)量。測(cè)量范圍為0.05~1.5 m³/s。流量計(jì)用容積法進(jìn)行原位標(biāo)定。標(biāo)定池有效容積165 m³,精度為±0.03%。流量測(cè)試誤差±0.171%。

3.3 湖南省水力機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[11]

湖南省水力機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于1994年建成以電子稱為特色的重量法和小流量標(biāo)準(zhǔn)筒容積法并存的高精度原位標(biāo)定系統(tǒng)裝置(圖2),經(jīng)湖南省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收檢定,系統(tǒng)裝置準(zhǔn)確度δ=±0.096%。該裝置運(yùn)行多年,標(biāo)定流量計(jì)上百臺(tái),其精度都

在±0.3%之內(nèi)。

該裝置的特色是在電子稱的旁通管上增設(shè)了一個(gè)0.9 m³的標(biāo)準(zhǔn)量筒(精度±0.03%),以保證小流量標(biāo)定的精度。當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)量筒標(biāo)定流量時(shí),則電子稱的底閥常開(kāi),成為容積法的旁通。標(biāo)準(zhǔn)量筒和電子稱重罐的兩個(gè)放水閥及水流切換系統(tǒng)采用電控氣動(dòng)方式,用一臺(tái)空氣壓縮機(jī)作為氣源。切換裝置配備高精度TP-I型時(shí)間脈沖同步計(jì)數(shù)器。切換的往返誤差可控制在3 ms以內(nèi)(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為20 ms),保證了裝置精度。

3.4 哈爾濱大電機(jī)廠高水頭水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)[12]

流量采用精度為±0.2%的MSF900型電磁流量計(jì),校準(zhǔn)方法采用容積為120m³的精度為±0.08%的標(biāo)準(zhǔn)容積筒,通過(guò)管路切換,在不改變流量計(jì)的工作狀態(tài)下進(jìn)行校準(zhǔn);試驗(yàn)水頭采用精度為±0.075%的3 051CD型差壓傳感器測(cè)量,采用精度為±0.02%的活塞壓力計(jì)進(jìn)行原位校準(zhǔn),力矩采用精度為±0.02%的1110-A0型負(fù)荷傳感器,采用精度為±0.0 025%的標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行原位校準(zhǔn)。效率試驗(yàn)精度為±0.25%。

3.5 中國(guó)水科院高精度水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)[13]

中國(guó)水科院水電所擁有3座高精度水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái),其中1號(hào)試驗(yàn)臺(tái)于1987年通過(guò)技術(shù)鑒定,效率總誤差保持在±0.25%以內(nèi);2號(hào)試驗(yàn)臺(tái)為渾水模型通用試驗(yàn)臺(tái),試驗(yàn)綜合誤差小于±0.25%;3號(hào)試驗(yàn)臺(tái)為高精度水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái),以封閉及半開(kāi)敞式運(yùn)行,能開(kāi)展軸流、斜流、混流式水輪機(jī)、水泵及水泵-水輪機(jī)的常規(guī)性能試驗(yàn)研究及內(nèi)特性專項(xiàng)試驗(yàn)研究,可進(jìn)行機(jī)理性試驗(yàn)以及國(guó)內(nèi)、國(guó)際水力機(jī)械模型驗(yàn)收試驗(yàn),1991年通過(guò)水利部鑒定,其測(cè)試總誤差小于±0.25%。

流量測(cè)量采用電磁流量計(jì),標(biāo)定系統(tǒng)由主動(dòng)力水泵、電磁流量計(jì)、流量稱重系統(tǒng)及水庫(kù)水位控制系統(tǒng)等組成,可以進(jìn)行正反兩個(gè)方向的流量標(biāo)定及測(cè)試。稱重系統(tǒng)為獨(dú)創(chuàng)的100 t電子測(cè)重流量計(jì)校正系統(tǒng),由110 t秤重桶、3個(gè)50 t負(fù)荷傳感器及測(cè)試儀表組成,其滿量程測(cè)試范圍為100 t,該稱重系統(tǒng)采用水體置換法用高精度不等臂天平(精度為±0.5×10-5)每2年由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院進(jìn)行原位標(biāo)定,稱重桶的線性誤差在±0.03%以內(nèi),為提高流量測(cè)試精度創(chuàng)造了良好的先決條件,處于水力機(jī)械行業(yè)國(guó)際領(lǐng)先地位。

4 流量標(biāo)定裝置發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái),隨著新技術(shù)、新方法的不斷出現(xiàn),流量標(biāo)定裝置發(fā)展出現(xiàn)了多樣化的趨勢(shì),主要表現(xiàn)為以下趨勢(shì)。

4.1 不斷提高流量標(biāo)定裝置的精度

高精度的流量標(biāo)定裝置通常采用靜態(tài)質(zhì)量法,研究的重點(diǎn)集中在減少稱重系統(tǒng)的誤差上。如PTB (德國(guó)國(guó)家物理實(shí)現(xiàn)室)[14]建造的一套高精度水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用了雙翼片式換向器,提高了稱重部分不確定度精度。

4.2 新的測(cè)量方法和測(cè)量手段出現(xiàn)

利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),PTB對(duì)相距約300 km外的“pigsar”實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程檢定[15]。隨著新型流量計(jì)的不斷出現(xiàn),標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置研究重新得到重視,匈牙利FLOMET公司以科里奧利質(zhì)量流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表,獲得了優(yōu)于0.01%的重復(fù)性[16]。巴西建造了一套用三臺(tái)渦輪流量計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)表的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[17]。

4.3 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用

變頻調(diào)速技術(shù)的普遍采用,節(jié)省了高位水塔高昂的建設(shè)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用,并避免裝置運(yùn)行過(guò)程中由于流量調(diào)節(jié)閥造成的水頭損失,具有顯著的節(jié)能效果。上海威爾泰工業(yè)自動(dòng)化股份有限公司[18]建立起一套全球最大的變水頭大流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可以標(biāo)定管直徑10 mm至3 800 mm的電磁流量計(jì),其流量范圍為(0~25 000) m³/h。該裝置由水池,變頻泵循環(huán)系統(tǒng),試驗(yàn)管路,高精度電子秤,標(biāo)準(zhǔn)容積段以及自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。其核心就是變水頭部分,包括標(biāo)準(zhǔn)容積段、試驗(yàn)管路和可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)保證流量恒定的自動(dòng)控制閥門,這是有別于其它高水頭液體流量標(biāo)準(zhǔn)的主要方面。

5 結(jié)語(yǔ)

目前水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)精度得到不斷提高,試驗(yàn)臺(tái)原位標(biāo)定裝置越來(lái)越得到廣泛重視。本文介紹了國(guó)內(nèi)外在流量計(jì)標(biāo)定技術(shù)、流量計(jì)原位標(biāo)定方法和國(guó)內(nèi)現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)原位標(biāo)定裝置的一些研究成果。為更好地保證試驗(yàn)臺(tái)精度,首先應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際情況綜合分析,采用合理的流量計(jì)原位標(biāo)定裝置,達(dá)到既保證精度要求又降低造價(jià)的目的。其次應(yīng)在以下方面進(jìn)行更深入的研究探討:①基于試驗(yàn)臺(tái)的原位標(biāo)定方法;②原位標(biāo)定系統(tǒng)不確定度;③計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在流量計(jì)原位標(biāo)定過(guò)程的應(yīng)用。

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