信彥峰　賈正紅　桑培勇　卜慶娟

(國(guó)防科技工業(yè)4113二級(jí)計(jì)量站，新鄉(xiāng) 453049)

0　引言

我站于2012年建立了冷卻液流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，該裝置采用主動(dòng)活塞式工作原理，工作介質(zhì)為65號(hào)航空冷卻液(水基、低粘度)，適用于冷卻液及相近流體的流量計(jì)校準(zhǔn)，用于統(tǒng)一國(guó)防冷卻液流量量值，保證相關(guān)軍工產(chǎn)品的質(zhì)量。裝置建成后，我們依據(jù)JJG 209—2010《體積管》檢定規(guī)程對(duì)裝置核心部件——體積管進(jìn)行了檢定。雖然目前檢定規(guī)程中未對(duì)此類(lèi)裝置的流量穩(wěn)定性做明確規(guī)定，但裝置流量穩(wěn)定性仍是評(píng)價(jià)裝置性能的重要指標(biāo)，且業(yè)界普遍認(rèn)為流量穩(wěn)定性一般應(yīng)優(yōu)于裝置不確定度的1/2。因此我們依據(jù)JJG 164—2000《液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置》對(duì)裝置的流量穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試。文章主要介紹裝置主要原理、測(cè)試方法、測(cè)試數(shù)據(jù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1　裝置的原理

裝置主要由伺服電機(jī)、伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠、光柵尺、活塞缸、活塞、溫度測(cè)量系統(tǒng)、壓力測(cè)量系統(tǒng)、管路及流體箱、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)等組成，伺服電機(jī)與滾珠絲杠勻速拖動(dòng)活塞，使流體從活塞缸中排出并通過(guò)被校流量計(jì)。裝置工作原理圖如圖1所示。

圖1　裝置的工作原理圖

如果在時(shí)間間隔t內(nèi)活塞移動(dòng)所排出的流體的體積為V，即可計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)流量qV：

qV=V/t

(1)

2　裝置流量穩(wěn)定性測(cè)試

裝置的設(shè)計(jì)流量范圍0.1～50m3/h。選擇在上限流量、中間流量及下限流量下進(jìn)行測(cè)試，單點(diǎn)測(cè)試次數(shù)n≥10，測(cè)試驗(yàn)證各點(diǎn)流量穩(wěn)定性，取其中流量穩(wěn)定性的最大值作為整個(gè)裝置的流量穩(wěn)定性，根據(jù)行業(yè)對(duì)流量穩(wěn)定性的通用要求(一般應(yīng)優(yōu)于裝置不確定度的1/2)判定裝置流量穩(wěn)定性能指標(biāo)。

裝置各流量點(diǎn)平均流量的計(jì)算公式如下：

(2)

裝置流量點(diǎn)下流量穩(wěn)定性的計(jì)算公式如下：

(3)

式中：q為各流量點(diǎn)流量平均值；qi為連續(xù)測(cè)量n(n≥10)次，各流量點(diǎn)第i次的流量值(i= 1，2，…，n)；Eq為裝置流量點(diǎn)下流量穩(wěn)定性；k為覆蓋因子(查表得出k=2.23)。

1)裝置上限流量穩(wěn)定性測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體積65L，單次測(cè)試時(shí)間4.68s。裝置上限流量測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　裝置上限流量測(cè)試數(shù)據(jù)表

平均流量：q=50.0057m3/h；穩(wěn)定性：Eq=0.0064%。

2)裝置中間流量穩(wěn)定性測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體積35L，單次測(cè)試時(shí)間5.25s。裝置中間流量測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　裝置中間流量測(cè)試數(shù)據(jù)表

平均流量：q=24.0040m3/h；穩(wěn)定性：Eq=0.011%。

3)裝置下限流量穩(wěn)定性測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體積2L，單次測(cè)試時(shí)間72s。裝置下限流量測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　裝置下限流量測(cè)試數(shù)據(jù)表

平均流量：q=0.09594m3/h；穩(wěn)定性：Eq=0.045%。

測(cè)試環(huán)境溫度：25.1℃；環(huán)境相對(duì)濕度：30.4%RH；大氣壓力：100657Pa。

3　結(jié)果分析

裝置上限流量穩(wěn)定性為0.0064%，中間流量點(diǎn)穩(wěn)定性為0.011%，下限流量時(shí)穩(wěn)定性為0.045%。從計(jì)算結(jié)果分析，裝置流量穩(wěn)定性隨著流量的減小呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，這種趨勢(shì)與靜態(tài)質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置類(lèi)似。經(jīng)過(guò)分析，造成這種結(jié)果的原因主要是：1)隨著流量點(diǎn)的變小，考慮實(shí)驗(yàn)時(shí)間因素，測(cè)試采用的標(biāo)準(zhǔn)體積值逐漸變小，但位移測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量步距為固定的0.5μm，因此由位移測(cè)量系統(tǒng)引入的誤差呈增大趨勢(shì)，可能造成流量穩(wěn)定性變差；2)隨著流量變小，活塞系統(tǒng)的動(dòng)載荷不穩(wěn)定性增加，伺服電機(jī)的穩(wěn)定性變差，在極小流量狀態(tài)下活塞還有可能出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，可能造成流量穩(wěn)定性變差；3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程中的有效位不同對(duì)于流量穩(wěn)定性測(cè)試的影響，可能造成小流量穩(wěn)定性變差。

經(jīng)合成，裝置的擴(kuò)展不確定度U=0.046%(k=2)。然而，流量穩(wěn)定性在全量程難以滿(mǎn)足通用要求。裝置如果要滿(mǎn)足0.2級(jí)流量?jī)x表的校準(zhǔn)要求，裝置的擴(kuò)展不確定度U應(yīng)優(yōu)于0.067%(k=2)，流量穩(wěn)定性相應(yīng)地應(yīng)優(yōu)于0.034%。就本裝置而言，要達(dá)到該指標(biāo)，目前最為有效的手段是提高裝置下限流量。

4　結(jié)論

流量穩(wěn)定性是衡量流量標(biāo)準(zhǔn)裝置性能的重要指標(biāo)。通過(guò)相關(guān)測(cè)試分析，我們發(fā)現(xiàn)主動(dòng)活塞式液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置同靜態(tài)質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置存在類(lèi)似的性能趨勢(shì)，隨流量變小裝置流量穩(wěn)定性呈變差趨勢(shì)，原因可能均緣于流量源動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定性變差和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)分辨率所限等，其中部分因素可通過(guò)技術(shù)手段來(lái)改善。當(dāng)然，適當(dāng)提高裝置下限流量或分流量段使用也是一種消除流量穩(wěn)定性影響、提高裝置性能的有效手段。在一定程度上，裝置流量穩(wěn)定性也可以作為界定裝置流量范圍的一種參考依據(jù)。

[1]蘇彥勛，李金海.流量計(jì)量.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1991

[2]段慧明，翟秀貞.液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2000

[3]蘇彥勛，梁國(guó)偉，盛健.流量計(jì)量與測(cè)試.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2007

[4]徐英華，王自和，孟濤，等.JJG 209—2010體積管檢定規(guī)程.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2010

[5]王池，王自和，張寶珠，等.流量測(cè)量技術(shù)全書(shū).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012