鄭 超,王玉剛,趙曉東,葉定擁,楊華峰,張洪軍

(1.中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.浙江愛力浦科技股份有限公司,浙江 臺州 317100)

計量泵是工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)和市政工程中必不可少的設(shè)備,廣泛用于城鄉(xiāng)水務(wù)系統(tǒng)、化工、石油、制藥、食品等行業(yè)[1]。在工藝流程中,計量泵用來輸送輔助藥劑到相關(guān)系統(tǒng),通常要求輸送的藥劑流量要非常精確[2]。為保證計量泵的產(chǎn)品質(zhì)量,除了改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計、材料和生產(chǎn)工藝外,先進(jìn)的檢測技術(shù)也必不可少。根據(jù)GB/T 7784—2006的規(guī)定[3],計量泵測試裝置中流量測量一般采用質(zhì)量法、容積法或流量計法。質(zhì)量法和容積法可以準(zhǔn)確測量脈動流的累積值,但是測量時間較長,效率不高[4]。使得流量計的測量效率高,但其準(zhǔn)確性受到被測流體壓力、流動是否穩(wěn)定等因素影響。計量泵是高壓往復(fù)泵,測試管路中流體為脈動流,流量和壓力呈周期性變化,一般的流量計難以準(zhǔn)確跟蹤,流量測量準(zhǔn)確度得不到保證。科氏質(zhì)量流量計能直接測量質(zhì)量流量,相比其他類型的流量計,不易受溫度、密度和流動狀態(tài)的影響[5],在測量脈動流體流量方面有一定的優(yōu)勢。

本研究從加強(qiáng)企業(yè)在線檢測能力,提升經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)際需求出發(fā),設(shè)計了一套基于流量計的計量泵性能測試裝置,針對流量大小、系統(tǒng)背壓和流體脈動幅度進(jìn)行流量和壓力的測量試驗(yàn),將流量計測量值與流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,判定測試裝置準(zhǔn)確度是否滿足要求。

1 測試裝置和試驗(yàn)方法

1.1 計量泵測試裝置設(shè)計

本文主要目的是研究基于流量計的計量泵測試裝置,安裝于測試裝置中的流量計工作條件是脈動流動且工作壓力在較大范圍內(nèi)變化,其工作特性如何,計量性能是否滿足需求?為了對流量計測量誤差進(jìn)行研究,設(shè)計了由計量泵測試管路和靜態(tài)質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),系統(tǒng)組成和工作原理如圖1所示。

1、6、7、10、11、16、20—截止閥;2—待測計量泵;3—緩沖罐;4—壓力變送器;5—換向閥;8—科氏力質(zhì)量流量計;9—電磁流量計;12—溫度變送器;13—壓力表;14—流量調(diào)節(jié)閥;15—背壓閥;17—換向器;18—稱量容器;19—電子秤;21—水箱;22—信號調(diào)理器;23—數(shù)據(jù)采集卡;24—上位機(jī)圖1 計量泵性能測試原理圖Figure 1 Principle diagram of metering pump performance test

計量泵測試管路是系統(tǒng)管路的主體部分,主要包括待測計量泵、科氏質(zhì)量流量計、電磁流量計、緩沖罐、背壓閥、流量調(diào)節(jié)閥、壓力測量儀表和變送器、水池和連接管等,其中緩沖罐有3種容積,分別為0.6 L、1.2 L和2.2 L。國外現(xiàn)有測試裝置(如Milton Roy)中一般使用科氏質(zhì)量流量計作為流量標(biāo)準(zhǔn)。該種流量計流動阻力大、成本高,電磁流量計這兩個指標(biāo)相對較好,如果能夠滿足需要,是比較好的選擇,為此測試管路中并聯(lián)安裝兩種流量計,分別試驗(yàn)其計量性能。背壓閥的作用是提供計量泵工作所需的背壓,而流量調(diào)節(jié)閥的作用是對背壓進(jìn)行精確調(diào)節(jié)?；谌齻€不同容積的緩沖罐可進(jìn)行不同的壓力和流量脈動試驗(yàn)。

靜態(tài)質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置主要包括換向器、稱量容器、電子秤和閥門等。靜態(tài)質(zhì)量法是通用的流量標(biāo)定方法,能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度,對被檢流量計進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)[6]。此外,系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)采集與控制單元,主要由上位機(jī)、多功能數(shù)據(jù)采集卡組成。

該裝置的設(shè)計目標(biāo)是滿足50～500 L/h計量泵測試需要,因此選用流量儀表的量程為0～600 L/h,電子秤量程為15 kg,分度數(shù)7 500,即分辨力2 g,使得靜態(tài)質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測量不確定度優(yōu)于±0.1%。測試裝置中主要部件規(guī)格型號及主要性能指標(biāo)列于表1。

表1 主要部件參數(shù)指標(biāo)Table 1 Parameter index of main components

兩臺流量計均輸出4～20 mA的電流信號,在接入采集卡之前需要借助信號調(diào)理器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的0～5 V電壓信號[7]。壓力變送器輸出的是0～5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號,可直接接入采集卡。

基于LabVIEW編寫上位機(jī)程序[8,9],用來完成流量和壓力數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲以及測試過程中相應(yīng)的控制操作。

1.2 試驗(yàn)方法

被測計量泵型號為JXM-A-120/0.7,最大額定流量120 L/h,額定壓力0.7 MPa,穩(wěn)定性精度±2%。

試驗(yàn)之前,需要對科氏質(zhì)量流量計進(jìn)行調(diào)零,以獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。調(diào)零時,要求流量計前后管路處于滿管狀態(tài)且管內(nèi)流體靜止,待進(jìn)入穩(wěn)定測量狀態(tài)后,順序關(guān)閉流量計下游截止閥11(或截止閥10)和上游截止閥6(或截止閥7),然后進(jìn)行調(diào)零操作。

試驗(yàn)使用清潔水作為測試介質(zhì)。測量時計量泵往復(fù)頻率為72次/min,保持不變。調(diào)整計量泵行程長度以改變流量,相對行程長度為:100%、75%、50%、30%,輸出流量分別對應(yīng)流量計校準(zhǔn)中的4個流量點(diǎn);調(diào)整背壓閥以改變計量泵的工作背壓,分別為:0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa和0.7 MPa。上述試驗(yàn)參數(shù)為24種組合,緩沖罐有3種容積,分別為0.6 L、1.2 L和2.2 L。每個工況采集5次數(shù)據(jù),瞬時流量和壓力信號采樣頻率為1 kHz,每次測量信號采集時間為20 s,流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中電子秤直接讀取20 s時間內(nèi)的累積流量。

由于科氏質(zhì)量流量計測量精度優(yōu)于電磁流量計,試驗(yàn)使用質(zhì)量流量計進(jìn)行全工況測量,針對電磁流量計進(jìn)行了部分工況測量試驗(yàn)。

2 科氏質(zhì)量流量計測試及分析

2.1 瞬時流量和壓力

圖2給出的是相對行程長度Sre=100%、背壓Pb=0.2 MPa情況下3個瞬時流量測量信號,分別對應(yīng)3種容積的緩沖罐。圖中可見,瞬時流量信號接近正弦曲線。根據(jù)往復(fù)式計量泵工作原理,柱塞(或液壓)正行程時工作,推動流體介質(zhì)出流,反行程時泵出口單向閥關(guān)閉,流體介質(zhì)不會跟著回流,因此,泵頭出口處的流體流量(或流速)隨時間變化信號應(yīng)為只有正半周期的正弦曲線,如圖3所示。顯然,由于緩沖罐內(nèi)氣室緩沖作用,以及流體介質(zhì)可壓縮性(盡管很小),使得計量泵正行程時緩沖罐內(nèi)氣體被壓縮、壓力升高,反行程時緩沖罐內(nèi)氣體膨脹、繼續(xù)推動流體流動,同時壓力下降(參見圖4),管路內(nèi)部實(shí)際瞬時流量信號變?yōu)橥暾恼仪€。從圖2中瞬時流量曲線可以看出,緩沖罐容積V從0.6 L增大到2.2 L時,流量脈動幅度變小,脈動幅值從約2 kg/h降到約1 kg/h,而流量平均值變化不大,約為139 kg/h。

圖2 流量計瞬時流量曲線(Sre=100%、Pb=0.2 MPa)Figure 2 Instantaneous flow curve of flowmeter(Sre=100%、Pb=0.2 MPa)

圖3 計量泵出口流量曲線(理想狀態(tài))Figure 3 Flow curve of metering pump outlet(under ideal state)

圖4為相對行程長度Sre=100%、背壓Pb=0.2MPa情況下,對應(yīng)3個不同容積緩沖罐時壓力時域信號圖。壓力也是周期性信號,但與瞬時流量不同,壓力時域圖不是正弦曲線,而是鋸齒形曲線。瞬時壓力在平均壓力(大約0.2 MPa)附近上下波動,隨緩沖罐容積增大,壓力波動幅值下降。

圖4 管內(nèi)壓力時域信號(Sre=100%、Pb=0.2 MPa)Figure 4 Time domain signal of pressure in tube(Sre=100%、Pb=0.2 MPa)

為了全面了解流量脈動、壓力脈動與流量、背壓大小,以及緩沖罐容積之間的關(guān)系,將各工況下流量和壓力信號進(jìn)行處理,計算出每個工況下流量和壓力的時間平均值和脈動值(均方根值)[10],并將脈動值進(jìn)行無量綱化處理,計算公式為:

(1)

表2 流量平均值、脈動值和壓力脈動值匯總表Table 2 Summary of mean flow, pulsation and pressure pulsation

2.2 流量測量誤差

將流量計測量結(jié)果與流量標(biāo)準(zhǔn)裝置數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,考查兩種流量計在不同壓力脈動流動測量時準(zhǔn)確度是否能夠保證。相對測量誤差計算公式如下:

(2)

科氏質(zhì)量流量計的流量測量誤差數(shù)據(jù)列于表3,其中流量數(shù)據(jù)為5次測量的平均值。表3數(shù)據(jù)可見,質(zhì)量流量計測量結(jié)果均為正偏差。為了直觀地顯示誤差的規(guī)律,將測量誤差數(shù)據(jù)以曲線形式給出,見圖5。

圖5 科氏質(zhì)量流量計測量誤差曲線Figure 5 Measurement error curve of Coriolis mass flowmeter

表3 科氏質(zhì)量流量計測量誤差數(shù)據(jù)Table 3 Measurement error data of Coriolis mass flowmeter

圖5顯示,相對行程長度(即流量大小)和背壓對流量測量誤差沒有明顯影響,說明測試裝置在試驗(yàn)工況下測量性能穩(wěn)定。3個緩沖罐對應(yīng)數(shù)據(jù)差別不大,說明試驗(yàn)范圍內(nèi),流量脈動幅值大小對測試裝置測量誤差基本沒有影響,這一點(diǎn)與文獻(xiàn)[11]中的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

根據(jù)表3數(shù)據(jù),測量值絕對誤差(q-qs)隨計量泵相對行程長度(即流量大小)的減小而減小,但都呈現(xiàn)正誤差,這是流量計出廠校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)引起的。相對誤差都在1%以內(nèi),絕對誤差數(shù)據(jù)最大值為1.01 kg/h,根據(jù)文獻(xiàn)[3]的要求,計量泵出廠檢測時流量測量不確定度應(yīng)在±1.5%以內(nèi),型式評價和抽檢時,流量測量不確定度應(yīng)保證在±1.0%以內(nèi),試驗(yàn)中流量計測量誤差均小于該值,試驗(yàn)中最小流量已低于50 L/h,說明使用科氏質(zhì)量流量計,在50～500 L/h范圍內(nèi)能夠滿足流量計量性能要求。

3 電磁流量計測試及分析

電磁流量計測試試驗(yàn)中選擇1.2 L的緩沖罐,分別在4個流量點(diǎn)和6種背壓進(jìn)行測試,電磁流量計的測量誤差結(jié)果列于表4。

根據(jù)表4數(shù)據(jù),測量值絕對誤差變化規(guī)律同樣是隨流量的減小而減小,但均為負(fù)偏差,其中絕對誤差最大值為-1.09 kg/h。流量大于50 L/h的測量數(shù)據(jù),測量誤差都在±1.0%以內(nèi),說明電磁流量計也能滿足裝置流量計量精度要求。

表4 電磁流量計測量誤差數(shù)據(jù)Table 4 Measurement error data of electromagnetic flowmeter

上述對于科氏質(zhì)量流量計和電磁流量計驗(yàn)證結(jié)果表明,對于本文中所設(shè)計開發(fā)的計量泵性能測試裝置,這兩種流量計都可滿足精度需求。從經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能的角度出發(fā),電磁流量計價格較低且工作過程中沒有壓力損失,能耗較小,可作為測試裝置的首選流量計。但前提是以可導(dǎo)電的介質(zhì)作為工作流體?？剖腺|(zhì)量流量計對工作介質(zhì)的包容性更廣,可用于非導(dǎo)電流體測量,測量精度更高,因此具有更廣的使用范圍。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一套基于流量計的計量泵性能測試裝置,對裝置流量測量準(zhǔn)確性以及背壓與流動脈動對流量測量的影響進(jìn)行了研究。流量和壓力脈動與緩沖罐容積呈反比,壓力脈動值會隨著流量和背壓的增大而增大;在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi),裝置的流量和壓力脈動以及背壓對于文中兩款流量計的流量測量精度幾乎沒有影響,裝置滿足測試精度要求;給出了流量計選擇的建議,工程人員可根據(jù)特定需求選擇合適的流量計。