韓義中，官志堅(jiān)

(中航長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試(天津)有限公司，天津300457)

0 引言

我所建成的潤(rùn)滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用國(guó)際上油品計(jì)量廣泛使用的主動(dòng)式體積管方式構(gòu)造而成。該標(biāo)準(zhǔn)主要用于使用高粘度油品如航空潤(rùn)滑油等為介質(zhì)的流量計(jì)的檢定與校準(zhǔn)工作，測(cè)量范圍:100～10000 L/h，相對(duì)擴(kuò)展不確定度U=0.08%(k=2)。油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置自2001年投入使用以來(lái)已廣泛服務(wù)于國(guó)防科技工業(yè)及地方企事業(yè)單位，但隨著越來(lái)越多小口徑流量計(jì)的運(yùn)用，現(xiàn)有的量程已不能滿足校準(zhǔn)的需求，需進(jìn)行流量范圍擴(kuò)展。

1 主動(dòng)式體積管裝置的構(gòu)成及原理

主動(dòng)式體積管裝置主要由伺服電機(jī)、絲杠精密標(biāo)準(zhǔn)體積管、管路及相應(yīng)采集控制設(shè)備組成，原理如圖1。其具有準(zhǔn)確度高，流量范圍大，自動(dòng)化程度很高、效率高、并且具有占地面積小、噪音小、全密閉運(yùn)行、無(wú)污染等特點(diǎn)是中小口徑油品流量計(jì)校準(zhǔn)的理想設(shè)備。

工作原理:校準(zhǔn)前開(kāi)啟閥1、2關(guān)閉閥3，由伺服電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)活塞在主動(dòng)體積管中運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)流量源(標(biāo)準(zhǔn)流量的大小由上位機(jī)軟件通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制)，液體通過(guò)閥1流經(jīng)被校流量計(jì)，最終流入油箱。光柵用于測(cè)量活塞行程，活塞行程與活塞截面積的乘積再除以運(yùn)行時(shí)間就得到體積流量，通過(guò)比較被校流量計(jì)的示值與體積管測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)體積流量值實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的校準(zhǔn)。

圖1 主動(dòng)體積管裝置原理圖

2 裝置的改造方案

2.1 裝置現(xiàn)有不足分析及改造方案

前文已經(jīng)提及主動(dòng)體積管通過(guò)光柵測(cè)量活塞行程，活塞行程與活塞截面積的乘積再除以運(yùn)行時(shí)間就得到體積流量。為了保證裝置的相對(duì)擴(kuò)展不確定度U=0.08%(k=2)，要求每次校準(zhǔn)時(shí)光柵的測(cè)量距離大于等于50 mm，本裝置中活塞有效截面積為0.041289 m2，即每次校準(zhǔn)體積要大于等于2.0645 L。這樣在校準(zhǔn)小流量時(shí)時(shí)間太長(zhǎng)，效率太低，如以校準(zhǔn)5 L/h為例需要的校準(zhǔn)時(shí)間為1486.44 s，為了提高微小流量的校準(zhǔn)效率需要對(duì)現(xiàn)有的裝置進(jìn)行改造。

有多種改造方案可供選擇，一種是新增加更小容積的主動(dòng)式體積管，另外一種是在原有裝置上增加電子天平主標(biāo)準(zhǔn)器。現(xiàn)有裝置只是在微小流量校準(zhǔn)時(shí)效率不高，但其能產(chǎn)生微小流量源且足夠穩(wěn)定(小于等于0.05%)，因此考慮采用第二種方式，可大大節(jié)約成本。

2.2 裝置現(xiàn)有指標(biāo)及改造后指標(biāo)

改造前指標(biāo):

流量范圍:(100～10000)L/h

裝置的擴(kuò)展不確定度:U=0.08%，k=2;

改造指標(biāo):

流量范圍:(1～100)L/h

裝置的擴(kuò)展不確定度:U=0.05%，k=2;

2.3 主標(biāo)準(zhǔn)器選型

在選擇電子天平時(shí)綜合考慮了流量范圍，精度，檢定效率。最終選擇了2臺(tái)梅特勒.托利多公司的高精度電子天平，具體選型如表1所示。

表1 電子天平主要參數(shù)

在本項(xiàng)目中最大流量的檢定時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)79s，充分保障裝置計(jì)時(shí)、計(jì)脈沖的精度，最長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間為220S，相對(duì)采用體積管效率大大提高。由于電子天平屬于精密儀器，現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)對(duì)其精度會(huì)有影響，為了降低此類影響，為兩臺(tái)天平設(shè)計(jì)了減震底座。對(duì)于MS8001S與MS503天平由于其分辨力較高，現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)與氣流都會(huì)對(duì)其測(cè)量造成影響，為此在天平外圍安裝有機(jī)玻璃外框?qū)ζ涿芊猓苊饪諝饬鲃?dòng)對(duì)它的影響。

依據(jù)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)給出的證書(shū)得到其A類與B類不確定度分別為

2.4 換向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

換向器的主要作用是將液體換入或換出容器，便于電子天平進(jìn)行稱量，是高準(zhǔn)確度質(zhì)量法裝置的必備部件?，F(xiàn)有的換向器一些固有的缺點(diǎn):①一般口徑不能太小，且流量不能太小，流量太小液體完全順著墻壁流下，換向誤差加大;②對(duì)介質(zhì)粘度敏感，掛壁現(xiàn)象嚴(yán)重［1］。在裝置中為了解決小流量1～100 L/h換向以及高粘度潤(rùn)滑油掛壁問(wèn)題，在現(xiàn)有的開(kāi)式換向器基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。采用二位三通快響應(yīng)電磁閥進(jìn)行換向(換入與換出時(shí)間差小于5 ms)，同時(shí)采用更接近工況的流量計(jì)法對(duì)換向器進(jìn)行檢定［2］，確保換向機(jī)構(gòu)的高準(zhǔn)確度。兩臺(tái)天平各配置一臺(tái)換向器。

依據(jù)檢定規(guī)程實(shí)驗(yàn)得出兩臺(tái)換向器的A類與B類不確定度分別為

2.5 采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

改造部分的控制采集信號(hào)主要包括電磁閥換向控制、脈沖信號(hào)采集、天平讀數(shù)等，其中關(guān)鍵部分為脈沖信號(hào)采集。

采用傳統(tǒng)的脈沖信號(hào)采集方式時(shí)，為了保證儀表系數(shù)的檢定精度計(jì)數(shù)器的計(jì)量準(zhǔn)確度為0.01%，至少要采集10000個(gè)脈沖，這就要求稱量的時(shí)間足夠長(zhǎng)、稱量的容器足夠大造成制造成本增加，如已常用的CLG-4渦輪流量計(jì)為列其流量為15L/h時(shí)頻率約為20Hz，顯然無(wú)法滿足10000個(gè)脈沖的要求。針對(duì)這一問(wèn)題設(shè)計(jì)了雙時(shí)間計(jì)數(shù)模塊，確保在裝置的最短測(cè)量時(shí)間內(nèi)1～10000Hz的測(cè)頻誤差小于0.01%。

依據(jù)檢定規(guī)程實(shí)驗(yàn)得出計(jì)時(shí)器的A類與B類不確定度分別為

3 改造部分不確定度分析

本文中介紹的適合高粘度、微小流量校準(zhǔn)的高準(zhǔn)確度流量標(biāo)準(zhǔn)裝置主要有如下創(chuàng)新與特點(diǎn):

依據(jù)液體裝置檢定規(guī)程，質(zhì)量法體積流量合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

式中:u1A為計(jì)時(shí)器A類不確定度;u1B為計(jì)時(shí)器B類不確定度;u2A為換向器A類不確定度;u2B為換向器B類不確定度;u3A為天平A類不確定度;u3B為天平B類不確定度;u4為天平分辨力引入的不確定度;u5為密度測(cè)量引入的不確定度。

經(jīng)計(jì)算u=0.024%，取包含因子k=2，于是擴(kuò)展相對(duì)不確定度為

符合改造技術(shù)要求。

4 不確定度驗(yàn)證

由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有類似微小流量的潤(rùn)滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可供比對(duì)，故采用本裝置體積管與改造部分進(jìn)行比對(duì)，體積管能達(dá)到的下限流量為6 L/h，比對(duì)用流量計(jì)采用max公司的max213容積式流量計(jì)。改造部分的相對(duì)擴(kuò)展不確定度U=0.05%，(k=2)，采用本裝置與我所已建標(biāo)裝置(相對(duì)擴(kuò)展不確定度U=0.08%，(k=2)對(duì)齒輪流量計(jì)樣品在相同流量點(diǎn)下進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行En計(jì)算，結(jié)果如表2。

表2 不確定度數(shù)據(jù)驗(yàn)證表

由表2可知在6～100L/h流量范圍內(nèi)裝置比對(duì)的En值小于1，證明了裝置相對(duì)擴(kuò)展不確定度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)主動(dòng)式體積管進(jìn)行增加電子天平主標(biāo)準(zhǔn)器的改造，實(shí)現(xiàn)了微小流量標(biāo)準(zhǔn)，最小流量可致1 L/h最終裝置的量程比達(dá)10000∶1。實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確度與高效的有效融合，為主動(dòng)式體積管的流量范圍擴(kuò)充找出新的途徑，可以在寬量程、微小小流量、高粘度、高精度流量校準(zhǔn)和流量測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。

［1］Kar-Hooi Cheong，Takashi Shimada，Ryouji Doihara.A New Calibration Facility for Small Flow of Hydrocarbon Liquid.15th Flow Measurement Conference(FLOMEKO).October 13-15，2010 Taipei，Taiwan.

［2］孟濤、王池、陳曉銘.流量裝置中換向器檢定方法的研究［J］.計(jì)量學(xué)報(bào).2008，29:420-422.

［3］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG164-2000液體流量裝置檢定規(guī)程［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2000.