陳慧云,程 佳,黃震威,李東升,徐志鵬
(1.中國計量學(xué)院 計量測試工程學(xué)院,浙江 杭州310018;2.浙江省計量科學(xué)研究院 科研中心,浙江 杭州310013)
氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是指能夠提供準(zhǔn)確氣流量值的測量設(shè)備,用于對氣體流量儀表進(jìn)行檢定和校準(zhǔn),其主要類型有鐘罩式、pVTt 法、皂膜式、稱量法、活塞式和標(biāo)準(zhǔn)表法等,其中,鐘罩式和pVTt 法為氣體流量原級標(biāo)準(zhǔn)裝置。
活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是屬于容積法中基于動態(tài)測量原理的一類新興的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,由于其具有精度高、流量穩(wěn)定、工作壓力可調(diào)和自動控制效率高等優(yōu)點(diǎn),最近幾十年得到了較快發(fā)展。相對而言,國外對活塞式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究歷史較久,研究水平也較高。德國PTB 早在20 世紀(jì)90 年代就研制成功其第一套活塞裝置-活塞式高壓天然氣體積管原級標(biāo)準(zhǔn),該裝置體積不確定度為0.02%,置換體積為0.148 2 m3,檢定流量范圍為25 ~480 m3/h,工作腔最大壓力為 90 bar[1];之后,PTB 又與德國一家公司合作開發(fā)了一種雙活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,其一缸作為工作腔,另一缸做指示用,主要用于微小流量氣體檢定,流量范圍為0.5 mL/h~5 L/h,在0.1~5 L/h 的流量范圍內(nèi),其流量的不確定度為0.05%。此外,意大利也有較高水平的活塞裝置:IMGC-CNR 成功研制了一套1 200 L 的大型活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,流量范圍為0.3~25 m3/h,當(dāng)排氣量在150~800 L 范圍內(nèi)時,不確定度達(dá)0.004 8%~0.001 5%[2]。國內(nèi)對活塞式標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究以中國計量科學(xué)研究院為代表,其成功研制了國內(nèi)第一套活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,裝置體積流量的不確定度為0.05%,流量范圍為0.009~0.6 m3/h,活塞缸內(nèi)工作壓力最高可達(dá)絕壓200 kPa。
現(xiàn)有的活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置均采用單工作腔的設(shè)計,檢定流量上限受工作腔容積限制。為了解決這一問題,本文提出并研制了一種電驅(qū)動雙活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。
雙活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)簡單,如圖1 所示。裝置有1#、2#兩個活塞系統(tǒng),兩者結(jié)構(gòu)相同。單個活塞系統(tǒng)由活塞缸、盤形活塞、導(dǎo)向桿、滾珠絲桿、聯(lián)軸器、溫度傳感器、壓力傳感器和伺服電機(jī)等組成;2 個活塞系統(tǒng)的出氣管路匯成一條管道,該管道后端接音速噴嘴安裝架;在待檢音速噴嘴下游管道上依次安裝真空壓力表和真空泵。2 個活塞缸內(nèi)各自布有溫度傳感器;活塞缸底部安裝有壓力傳感器。
檢定過程中,活塞的運(yùn)動分為加速、勻速和減速3 個階段。首先,活塞位于零點(diǎn)位置,開啟真空泵,使噴嘴達(dá)到臨界狀態(tài),編碼器輸出脈沖數(shù)清0。啟動1#活塞,使其以穩(wěn)定的加速度加速到能產(chǎn)生所需流量的速度,之后,進(jìn)入勻速運(yùn)行狀態(tài);勻速運(yùn)行一段時間后,檢定開始。當(dāng)1#編碼器輸出脈沖數(shù)達(dá)到設(shè)定值時,控制1#活塞進(jìn)入減速運(yùn)行狀態(tài);同時,啟動2#活塞,使其以相同的加速度加速,此時,兩缸共同產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)流量的氣體。1#活塞減速到0 后,往回運(yùn)動到0 點(diǎn)位置等待下一次運(yùn)行;2#活塞加速到相同的速度時進(jìn)入勻速階段,如此交替使用2 個活塞系統(tǒng),直至檢定結(jié)束。檢定過程中,要求壓力波動控制在規(guī)定的范圍內(nèi),否則,本次檢定失敗,改變速度后再次檢定。
圖1 雙活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置示意圖Fig 1 Schematic diagram of double-piston gas flow standard device
由于整個檢定過程中工作腔內(nèi)氣體壓力控制在規(guī)定的較小范圍內(nèi),氣體溫度的變化忽略不計,故一般可以認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)的氣體密度不變,設(shè)為ρ;活塞的運(yùn)行距離通過采集編碼器輸出脈沖結(jié)合脈沖當(dāng)量得到,則標(biāo)準(zhǔn)裝置產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量qms為
其中,Sp1為1#活塞橫截面積,m2;Sp2為2#活塞橫截面積,m2;Xn為1#活塞第n 次運(yùn)行其編碼器反饋的有效脈沖數(shù),n=1,2,3,…;Xm為 2#活塞第 m 次運(yùn)行其編碼器反饋的有效脈沖數(shù),m =1,2,3…;δ 為脈沖當(dāng)量,mm/脈沖;t 為檢定時間,s。
氣體密度ρ 由下式得到
其中,RH 為氣體相對濕度,%RH,可以由濕度傳感器測量得到;pb為氣體溫度條件下飽和蒸汽壓,Pa,可通過查表得到;R 為通用氣體常數(shù)(8.314 J/mol·K);M 為氣體的摩爾質(zhì)量,kg/mol(對于空氣為28.97 g/mol);Z 為氣體壓縮因子;p,T 分別為氣體絕對壓力、絕對溫度,Pa,K;k 為濕空氣修正系數(shù)。
根據(jù)噴嘴的檢定規(guī)程,待檢噴嘴的流出系數(shù)為
其中,qmn為通過臨界流噴嘴的臨界質(zhì)量流量,kg/s;d 為臨界流噴嘴喉部直徑,m;Cd為臨界流噴嘴的流出系數(shù);C*為臨界流函數(shù);p0,T0分別為臨界流噴嘴入口處的滯止壓力和滯止溫度,Pa,K。
但是,由查表和經(jīng)驗(yàn)公式計算得到的臨界流函數(shù)C*值只對不含CO2的干空氣才有效,當(dāng)使用噴嘴測量未經(jīng)干燥的大氣空氣時,其質(zhì)量流量會受到不可忽略的影響[3]。在這種情況下,應(yīng)使用下式給出的質(zhì)量流量修正因子進(jìn)行修正
式中 qmd為不含CO2的干燥空氣的質(zhì)量流量;XCO2為空氣中CO2的摩爾分?jǐn)?shù),如果未知,可用 0.000 4;A =0.127 828τ3- 0.789 422τ2+ 1.631 66τ - 1.128 18;B =-0.000 288 729π2- 0.001 910 22π + 0.005 695 36 -,其中,τ =T0/Tc,T0為噴嘴入口處滯止溫度,臨界溫度Tc=132.530 6K;π=p0/pc,p0為噴嘴入口處滯止壓力,臨界壓力pc=3.786 MPa。
根據(jù)氣體連續(xù)性方程,有
由于噴嘴前滯止壓力與活塞缸內(nèi)的氣體壓力差較小,計算時可忽略[4],故上式轉(zhuǎn)化為
裝置的硬件可分為機(jī)械結(jié)構(gòu)和相關(guān)硬件設(shè)備兩部分。該雙活塞裝置的硬件設(shè)備主要包括上位機(jī)、PLC、擴(kuò)展AI模塊、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動器、編碼器、變送器、閥門、限位開關(guān)等,其硬件設(shè)計框圖如圖2 所示。
圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖Fig 2 Design block diagram of system hardware
由于該雙活塞裝置涉及雙軸的同步控制,2 個活塞運(yùn)行同步性好壞決定了檢定成功與否。為了達(dá)到較好的同步性,需要PLC 有足夠快的掃描速度。最終選用西門子公司S7-1200 系列的 CPU1214C,其布爾量運(yùn)算執(zhí)行速度為0.1 μs/指令,有 14 路數(shù)字量輸入、10 路數(shù)字量輸出、2 路模擬量輸入、6 個高速計數(shù)器(HSC)和2 路高速脈沖輸出(PTO)。
該裝置共有5 處使用閥門,分別為1#活塞系統(tǒng)進(jìn)氣口、出氣口,2#活塞系統(tǒng)進(jìn)氣口、出氣口,被檢噴嘴下游管道處,其中前4 處采用電控閥門,第5 處采用手動球閥。由于裝置中工作介質(zhì)為氣體,但電磁閥工作時會產(chǎn)生較多熱量,對整個工作腔內(nèi)的氣體狀態(tài)產(chǎn)生極大影響,故裝置上所有電控閥門均采用氣控閥。氣控閥的開/關(guān)由先導(dǎo)室中先導(dǎo)氣的通/斷控制,不涉及電源和線圈等發(fā)熱部件。為每一個氣控閥對應(yīng)配備一個電磁閥,電磁閥控制氣控閥中先導(dǎo)氣的通斷。
與步進(jìn)電機(jī)相比,伺服電機(jī)具有高速性能好,低速運(yùn)行平穩(wěn),動態(tài)響應(yīng)時間短,實(shí)現(xiàn)了位置、速度和力矩的閉環(huán)控制等優(yōu)點(diǎn)。此外,伺服電機(jī)自帶編碼器,通過采集編碼器的反饋脈沖,結(jié)合脈沖當(dāng)量,可以直接得到活塞運(yùn)行距離。綜合考慮了市場上各種電機(jī)品牌和型號,最終選用松下A5系列伺服電機(jī)。
裝置中所有變送器的輸出信號均選擇4~20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號,經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后進(jìn)入PLC,參與計算和控制。行程開關(guān)直接與 PLC 的 DI 口連接。PLC 里的高速計數(shù)器(HSC)采集伺服電機(jī)編碼器輸出脈沖,作為活塞運(yùn)行距離的依據(jù);伺服電機(jī)驅(qū)動器接受脈沖串輸出(PTO)發(fā)出的脈沖控制電機(jī)運(yùn)行。
上位機(jī)由LabVIEW 虛擬儀器實(shí)現(xiàn),主要完成檢定界面的設(shè)計搭建、參數(shù)設(shè)定輸入、相關(guān)公式計算、過程壓力溫度數(shù)據(jù)記錄繪制、檢定結(jié)果記錄存儲和數(shù)據(jù)查詢等,其結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。
圖3 上位機(jī)檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Calibration system structure diagram of upper computer
1)相關(guān)參數(shù)設(shè)定模塊:分為三部分:a.裝置參數(shù)設(shè)置:包括活塞直徑和變送器參數(shù)等,這部分內(nèi)容一旦設(shè)定好,除非裝置有改動;否則,固定不變;b.檢定過程參數(shù)設(shè)置:檢定時間、檢定延時、背壓比最大值和壓力波動范圍,檢定延時是指從關(guān)閥到檢定開始的延遲時間;c.被檢噴嘴信息設(shè)置:主要包括噴嘴型號規(guī)格、噴嘴生產(chǎn)廠家、噴嘴出廠編號、噴嘴喉徑和噴嘴出廠名義流量,其中,前3 個信息作為歷史檢定結(jié)果的查詢條件,后2 個信息用于相關(guān)公式計算。
2)檢定過程監(jiān)控模塊:檢定過程監(jiān)控模塊是上位機(jī)程序中最重要的部分,主要分為四部分,分別是相關(guān)參數(shù)數(shù)值實(shí)時顯示、活塞位置與工作腔壓力圖線顯示、相關(guān)狀態(tài)位顯示和檢定過程執(zhí)行按鈕。裝置根據(jù)噴嘴的名義流量結(jié)合當(dāng)前溫度壓力值計算出建議流量,活塞以能產(chǎn)生建議流量的速度運(yùn)行;若檢定過程中壓力超限,活塞急停,輸入下一個建議流量;若檢定過程符合要求,記錄下檢定結(jié)果和過程數(shù)據(jù)。
3)數(shù)據(jù)管理模塊:利用LabVIEW 數(shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL 對檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、查詢等操作,查詢條件可以是“檢定時間”、“送檢廠家”、“檢定人員”、“噴嘴型號”、“噴嘴編號”和“檢定結(jié)果”中的一項(xiàng)或幾項(xiàng),輸入的查詢條件越多,查詢結(jié)果越準(zhǔn)確。選中需要的記錄,點(diǎn)擊“生成報表”,調(diào)用相應(yīng)子程序?qū)⑿畔鬟f到指定目錄下的報表模板中,并可根據(jù)需要將報表保存到任一路徑下。
下位機(jī)的核心是PLC,其主要完成的任務(wù)是:活塞缸內(nèi)溫度、壓力和濕度數(shù)據(jù)采集;接收上位機(jī)指令完成電機(jī)啟/??刂?、活塞運(yùn)動控制和閥門開/關(guān)控制等。該裝置采用的西門子S7-1200 相對于S7-200 增加了對運(yùn)動控制的組態(tài),可以在PLC 中創(chuàng)建一個工藝對象-“軸”,利用其專用的指令塊,編程實(shí)現(xiàn)對活塞加速、勻速、減速、剎車和急停等運(yùn)動的控制。
影響流出系數(shù)的不確定度因素很多,但主要影響因素只有3 項(xiàng),按不確定度貢獻(xiàn)大小排列,分別是溫度測量、活塞標(biāo)準(zhǔn)體積(即活塞面積和活塞位移測量)、流出系數(shù)的重復(fù)性引入的不確定度[5]。對該雙活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn),結(jié)果如表1 所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:該裝置重復(fù)性優(yōu)于0.05%。
表1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)Tab 1 Experiments of repetitiveness of standanrd device
電驅(qū)動雙活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不僅繼承了傳統(tǒng)活塞裝置結(jié)構(gòu)簡單、精度高、流量穩(wěn)定、工作壓力可調(diào)和自動控制效率高等優(yōu)點(diǎn),而且提高了活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的檢定流量上限。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:其重復(fù)性優(yōu)于0.05%,可以用于臨界流流量計的檢定。
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