王俊濤 崔春桃 桑培勇 蒲莉萍

(1.國防科技工業(yè)4113計量站，新鄉(xiāng) 453049；2.洛陽市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，洛陽 471003)

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可變溫液壓油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置研究

王俊濤1崔春桃2桑培勇1蒲莉萍1

(1.國防科技工業(yè)4113計量站，新鄉(xiāng) 453049；2.洛陽市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，洛陽 471003)

提出建立一套液壓油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，裝置具有可變溫的特點，變溫范圍為：常溫～80℃。采用靜態(tài)質(zhì)量法原理，完成了總體設(shè)計。通過電動閥門結(jié)合變頻技術(shù)實現(xiàn)對裝置流量的快速準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。采用新型閉式換向器，實現(xiàn)裝置變溫及高精度要求。采用高精度電子天平組，滿足系統(tǒng)流量范圍及精度要求。完成了測控系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計。

計量學(xué)；流量標(biāo)準(zhǔn)裝置;變溫；變頻技術(shù)；閉式換向器

0 引言

目前，國內(nèi)外對液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究日趨成熟，尤其是水流量標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用十分普遍。同時，根據(jù)不同需要建立了一批以油等其它液體作為介質(zhì)的流量標(biāo)準(zhǔn)，一定程度上滿足了部分流量計特殊狀況的檢定要求。眾所周知，油的物理特性受溫度的影響比較大，如黏度、密度等。而流量計在不同黏度的介質(zhì)中性能表現(xiàn)又有較大差異。所以只有對流量計在工況狀態(tài)下檢定，其結(jié)果對工業(yè)現(xiàn)場才具有實際意義。但是，對所有流量計進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)或檢定又不太容易實現(xiàn)[l-4]。

基于以上原因，本文提出建設(shè)一套可變溫潤滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，以期滿足不同溫度或黏度條件下潤滑油或狀態(tài)相近流量計的校準(zhǔn)或檢定，同時可用于特殊流量計研制過程中的實驗測試。

1 總體設(shè)計

1.1 設(shè)計性能指標(biāo)

建立可變溫潤滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的目標(biāo)是模擬不同黏度液體流動狀態(tài)，溫度是影響流體黏度的主要參數(shù)，通過控制流體溫度實現(xiàn)黏度的變化，從而保證介質(zhì)流動狀態(tài)滿足需要。

本裝置主要性能指標(biāo)如下：

1)變溫范圍：常溫～80℃；

2)溫控精度：±1℃；

3)流量范圍：0.001～40kg/h；

4)不確定度(k=2)：0.05%。

1.2 裝置原理

潤滑油在常溫狀態(tài)黏度較低，且本裝置具有變溫特性，經(jīng)分析選取靜態(tài)質(zhì)量法作為本裝置原理。裝置基本原理框圖如圖1所示。裝置主要由儲油箱、油泵、穩(wěn)壓罐、被檢表、換向器、衡器以及閥門管路等其它附件組成[1，2]。

圖1 裝置原理圖

1.3 裝置系統(tǒng)設(shè)計

1.3.1 裝置基本結(jié)構(gòu)

本裝置基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括：動力系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、變溫系統(tǒng)、實驗管路系統(tǒng)、換向系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等組成。增壓油泵為裝置動力系統(tǒng)，驅(qū)動介質(zhì)按一定流量進(jìn)行循環(huán)。過濾系統(tǒng)包括了泵前后過濾器、流量計前過濾器、回油過濾器以及油箱空氣過濾器等，有效地保證介質(zhì)的純凈。變溫系統(tǒng)主要包括電加熱器及其控制系統(tǒng)，通過變溫系統(tǒng)實現(xiàn)不同溫度的計量。實驗管路系統(tǒng)設(shè)有DN50、DN40、DN32、DN25、DN15、DN10、DN6、DN4等標(biāo)準(zhǔn)口徑實驗管路，實驗管路滿足液體流量標(biāo)準(zhǔn)的基本要求，管路上按要求裝有溫度、壓力測量儀器。換向系統(tǒng)是靜態(tài)質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)的主要部件，此裝置換向系統(tǒng)主要由三臺液體換向器組成，包括DN50，DN25，DN15三種型號。稱重系統(tǒng)也是影響裝置精度的核心部件之一，選用三臺不同量程的電子天平組成裝置稱重系統(tǒng)，滿足精度要求的前提下，保證工作效率。測控系統(tǒng)主要完成試驗數(shù)據(jù)的自動采集、處理以及裝置工作的自動控制等。

1.儲油箱；2.泵吸油口過濾器；3、4、5.泵；6.加熱器；7.系統(tǒng)過濾器；8.穩(wěn)壓罐；9.壓力傳感器；10、11.水平被檢流量計；12、13.整流器；14、15、16豎直被檢流量計；17.大換向稱重系統(tǒng)；18.中換向稱重系統(tǒng)；19.小換向稱重系統(tǒng)；20.氣源；21.溢流閥圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 裝置工作流程

如圖2所示。油液存儲于油箱1內(nèi)；工作時，根據(jù)實驗方案選取實驗管路將被檢流量計安裝在管路上，保證表后無泄漏；確定是否需要變溫，需要變溫時將電加熱器與總管路接通，常溫實驗將電加熱器隔離；打開實驗管路閥門使選擇管路暢通；啟動測控系統(tǒng)，設(shè)置實驗參數(shù)；根據(jù)流量要求選擇啟動增壓泵，調(diào)節(jié)變頻器，使流量達(dá)到被檢流量計最大流量；接下來可以按不同流量計的檢定規(guī)程進(jìn)行檢定。

2 主要技術(shù)

2.1 流量調(diào)節(jié)

流量計要在不同的流量工況下試驗,且各種流量計的量程不盡相同。這就對試驗臺的流量調(diào)節(jié)性能提出了很高的要求。通?？梢酝ㄟ^改變節(jié)流閥的開度來改變管道內(nèi)液體流量，也可以通過改變液壓泵驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變管道內(nèi)液體流量。要改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速主要有兩種方法：可控硅加直流電機(jī)調(diào)速和變頻器加三相異步電機(jī)調(diào)速。

此裝置選擇變頻調(diào)節(jié)和電動閥門調(diào)節(jié)相結(jié)合的流量調(diào)節(jié)方式。閥門流量調(diào)節(jié)能夠保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全和平穩(wěn)運行，使過程控制中物料能量和流量的變化精確。變頻調(diào)速具有效率高，平滑性好；低速狀態(tài)時，相對穩(wěn)定性好；調(diào)速精度高，范圍較大；起動電流低，無沖擊，有效保護(hù)電路系統(tǒng)，且節(jié)電效果明顯的特點。兩種流量調(diào)節(jié)方式的結(jié)合使用，使系統(tǒng)兼具兩者優(yōu)點，同時，電動閥門和變頻器易于實現(xiàn)設(shè)備自動化控制[5-7]。

2.2 變溫系統(tǒng)

變溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)溫度的變化主要靠電加熱器和熱交換器控制。常溫實驗時，電加熱器通過閥門隔離，熱交換器與主管路接通，通過控制熱交換介質(zhì)水的流動，將試驗介質(zhì)循環(huán)過程產(chǎn)生的熱量帶走，來保證常溫試驗時的溫度。高溫試驗時，通過閥門開關(guān)將電加熱器接入試驗管路系統(tǒng)，試驗初期主試驗管路隔離，油箱、泵、加熱器組成小閉合系統(tǒng)，獨立循環(huán)加熱，保證加熱效率，減小能量損失。當(dāng)介質(zhì)溫度達(dá)到試驗要求溫度時，主試驗管路接通，形成大的試驗循環(huán)，電加熱器通過PID智能控制，保證介質(zhì)溫度處于設(shè)定范圍內(nèi)，滿足試驗過程對溫度的要求。

圖3 變溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 換向器

流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中換向器的作用是使流體介質(zhì)在稱重系統(tǒng)和旁路部分根據(jù)需要轉(zhuǎn)換。換向器是影響裝置精度的主要部件。本裝置需要實現(xiàn)高溫變溫試驗，為防止液體介質(zhì)飛濺，對系統(tǒng)和工作人員造成危害，裝置采用閉式活塞換向器，換向器動力采用氣動，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。此換向器氣缸與換向器作為一個整體，避免了使用過程中錯位對換向性能的影響。雙板式封頭結(jié)構(gòu)，減小了由于換向?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)介質(zhì)流場的擾動。氣缸進(jìn)氣口安裝添加流量平衡閥，通過流量平衡閥的調(diào)節(jié)使換向器換入換出時間更接近，提高裝置精度。換向裝置配備蓄能器，為換向器提供充足動力，保證換向時間[8]。

圖4 換向器結(jié)構(gòu)

本裝置根據(jù)需要共安裝三臺換向器，其具體參數(shù)如下：

1)口徑分別為:50mm，25mm，15mm；

2)工作壓力：0.4～0.8MPa。

2.4 稱重系統(tǒng)

稱重系統(tǒng)是靜態(tài)質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的核心構(gòu)件之一，主要由稱量器具，稱重容器組成。本裝置選用電子天平作為稱重器具。

電子天平是常用的稱重器具，它具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、稱量準(zhǔn)確可靠、顯示快速清晰、自動檢測系統(tǒng)、簡便的自動校準(zhǔn)裝置以及超載保護(hù)裝置等，同時便于實現(xiàn)自動控制。

本裝置設(shè)計流量范圍為0.001～40kg/h。范圍比較寬，不管是換向系統(tǒng)，還是稱重系統(tǒng)等都有適合的使用范圍，所以主系統(tǒng)被分為三個子系統(tǒng)。稱重部分包括三臺電子天平，三個稱重箱，并且三部分可以相互聯(lián)通、斷開，保證對不同流量范圍的儀表進(jìn)行準(zhǔn)確計量。裝置所選用電子天平如表1所示。

表1 電子天平

2.5 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和和軟件系統(tǒng)兩部分。

2.5.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)采用基于PC-單片機(jī)的自動檢定系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。能夠?qū)崿F(xiàn)人工手動控制和計算機(jī)自動控制兩種控制方式，儀器顯示和計算機(jī)虛擬顯示兩種監(jiān)控方式。這樣可以在計算機(jī)出現(xiàn)故障時，在人工手動下繼續(xù)工作。系統(tǒng)主要由各類傳感器、光電開關(guān)、比例放大器、多路固態(tài)繼電器、流量積算儀、環(huán)境參數(shù)測量儀、壓力溫度測量儀、串口擴(kuò)展卡以及PC機(jī)等組成。計算機(jī)主要完成信息輸入輸出、控制指令發(fā)送和數(shù)據(jù)處理；流量積算儀完成時間、頻率信號的采集及處理并及時與計算機(jī)通訊；多路開關(guān)通過接受計算機(jī)設(shè)置指令，控制不同系統(tǒng)通斷；溫度壓力測量儀完成系統(tǒng)壓力及溫度的采集處理并傳送到計算機(jī)；大氣參數(shù)測量儀完成對大氣溫度、壓力及濕度的測量處理并傳送到計算機(jī)[9]。

圖5 控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.5.2 軟件系統(tǒng)

裝置系統(tǒng)軟件的開發(fā)采用C#語言，基于Visual Studio 2008平臺，在數(shù)據(jù)存儲方面采用了Access微機(jī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[10]。

軟件系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能為：對各電動閥、換向器、放油閥等控制；與各單片機(jī)實時通訊，在線顯示各測量信號值；指示裝置運行狀態(tài)；對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲以及證書、記錄的打印等。要求界面友好，運行穩(wěn)定可靠，操作簡便。

3 不確定度分析

該裝置靜態(tài)質(zhì)量法產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)流量的數(shù)學(xué)模型和基本方程如下[1]：

裝置靜態(tài)質(zhì)量法的不確定度一覽表如表2所示[11]。

表2 不確定度的因素

裝置合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：u=0.024%；擴(kuò)展不確定度U=0.048%(k=2)

4 結(jié)論

本文介紹了可變溫液壓油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制，根據(jù)裝置特性，對其整體方案進(jìn)行了設(shè)計。根據(jù)裝置特殊要求設(shè)計了其流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、換向器、稱重系統(tǒng)及可控系統(tǒng)軟硬件。流量調(diào)節(jié)快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定，裝置整體性能良好，為不同黏度狀態(tài)流量計量的科學(xué)研究提供實驗條件。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.3.07