摘要:針對(duì)建設(shè)專用裝置檢定浮子流量計(jì),場(chǎng)地占用大且無法滿足實(shí)流檢定的問題,一種流量范圍為0.006~16m3/h的可移動(dòng)浮子流量計(jì)檢定裝置。裝置原理為靜態(tài)質(zhì)量法,1臺(tái)150kg的精度電子秤為主標(biāo)準(zhǔn)器。用專用電動(dòng)換向器,保證換向同步性。設(shè)計(jì)基于可編程邏輯控制器(PLC)的控制系統(tǒng),通過對(duì)夾表器夾緊力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),大幅度降低被測(cè)浮子流量計(jì)玻璃管在安裝過程中損壞的可能性。采用液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程中的方法對(duì)整套裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及不確定度評(píng)定,得到其擴(kuò)展不確定度為0.25%(k=2)。裝置具有方便移動(dòng)、可拆卸、可快速組合的特點(diǎn),能夠滿足精度等級(jí)1.0級(jí)及以下浮子流量計(jì)實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的需求。
0引言
　　浮子流量計(jì)是一種使用簡(jiǎn)單、讀數(shù)方便的瞬時(shí)體積流量測(cè)量?jī)x表,適用于低流速液體流量特別是低雷諾數(shù)情況下的微小流量測(cè)量:工況"。因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、流量穩(wěn)定、可測(cè)低流速介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)明,浮子流量計(jì)被廣泛用于電力、石化、化工、冶金、醫(yī)藥.環(huán)境保護(hù)、污水處理等領(lǐng)域。
　　浮子流量計(jì)工作介質(zhì)自下而上流動(dòng),不能水平安裝。檢定介質(zhì)與刻度介質(zhì)不同時(shí)需要進(jìn)行刻度換算和粘度修正。國(guó)內(nèi)各技術(shù)機(jī)構(gòu)和企業(yè)現(xiàn)有水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置無法檢測(cè)浮子流量計(jì),需建立專用檢定裝置,場(chǎng)地占用大且功能單一。另外,實(shí)驗(yàn)室對(duì)浮子流量計(jì)的檢定通常在水流量裝置上進(jìn)行,無法模擬出實(shí)際介質(zhì)條件。雖然實(shí)驗(yàn)室檢定可給出儀表在.標(biāo)準(zhǔn)條件下的計(jì)量性能,但會(huì)因?qū)嶋H使用條件、介質(zhì)的物性參數(shù)甚至介質(zhì)本身的變化而帶來附加誤差。因此,研究可移動(dòng)檢定裝置,實(shí)現(xiàn)被檢流量計(jì)工況條件下的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量,對(duì)浮子流量計(jì)的檢測(cè)具有重要意義。
　　本文建立了一套可移動(dòng)、可與各種液體流量裝置高效組合的浮子流量計(jì)檢定裝置,能夠快速將水平流場(chǎng)轉(zhuǎn)換為適于浮子流量計(jì)檢定的垂直流場(chǎng),很好的滿足了多參數(shù)、多規(guī)格、各種液體工作介質(zhì)浮子流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)需求。
1浮子流量計(jì)檢定裝置測(cè)量原理
　　流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是流量?jī)x表進(jìn)行檢測(cè)完成量值傳遞的重要設(shè)備,是保證流量?jī)x表質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。依據(jù)測(cè)量:方法可將流量標(biāo)準(zhǔn)裝置分為靜態(tài)質(zhì)量法、靜態(tài)容積法、動(dòng)態(tài)質(zhì)量法和動(dòng)態(tài)容積法。本文設(shè)計(jì)的浮子流量計(jì)檢定裝置為靜態(tài)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置,流量源恒壓,流量穩(wěn)定,測(cè)量精度高。靜態(tài)質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量原理是將一定時(shí)間內(nèi)通過流量計(jì)的介質(zhì),經(jīng)由換向器全部導(dǎo)人置于稱量標(biāo)準(zhǔn)器上的容器中,然后測(cè)量容器中介質(zhì)的質(zhì)量從而得到流過流量計(jì)的介質(zhì)質(zhì)量,再通過測(cè)量時(shí)間得到質(zhì)量流量。數(shù)學(xué)模型為
 
式中:Q一累積質(zhì)量流量,kg/s;
qm一-瞬時(shí)質(zhì)量流量,kg/s;
m一測(cè):量時(shí)間內(nèi)稱量容器內(nèi)的液體質(zhì)量示值,kg,
t,t1,t2一測(cè)量時(shí)間,s。
2浮子流量計(jì)檢定裝置方案設(shè)計(jì)
2.1裝置設(shè)計(jì)指標(biāo)
　　浮子流量計(jì)被廣泛應(yīng)用于小管徑、低流速測(cè)流領(lǐng)域。以液體為例,口徑10mm以下玻璃管浮子流量計(jì)滿度流量的名義管徑,流速只在0.2~0.6m/s之間,甚至低于0.1m/s8。常用浮子流量計(jì)口徑為DN15~DN50,對(duì)應(yīng)的流量范圍和精度等級(jí)分別見表1和表2。
 
　　根據(jù)常用流量計(jì)口徑、精度等級(jí)和流量測(cè)量范圍進(jìn)行裝置設(shè)計(jì),具體設(shè)計(jì)指標(biāo)見表3。裝置設(shè)計(jì)采用測(cè)量精度較高的靜態(tài)質(zhì)量法,流量范圍0.006~16m2/h,滿足常用口徑DN15~DN50液體浮子流量計(jì)檢定需求。浮子流量計(jì)檢定裝置的擴(kuò)展不確定度應(yīng)優(yōu)于被檢流量計(jì)最大允許誤差的1/2凹最高精度等級(jí)浮子流量計(jì)為1.0級(jí)(表2),因此組合裝置的擴(kuò)展不確定度應(yīng)優(yōu)于0.5%。為保證測(cè)量正確率,浮子流量計(jì)安裝傾斜角度應(yīng)<2°。為了方便裝置的移動(dòng)、拆卸和高效組裝,整套裝置高度應(yīng)不超過2m。
 
2.2裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　浮子流量計(jì)檢定裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1,其主體為2個(gè)長(zhǎng)方體框架,由浮子流量計(jì)裝夾表系統(tǒng)和稱量系統(tǒng)(含水流換向系統(tǒng))組成。浮子流量計(jì)裝夾表系統(tǒng)中部為工作臺(tái)面,臺(tái)面一側(cè)安裝有水平尺,框架底部安裝有4個(gè)腳輪和4條可伸縮支腳便于裝置的移動(dòng)和調(diào)節(jié)固定。進(jìn)水管路上依次安裝有快速接頭、開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥和排水閥。裝置上端設(shè)置手動(dòng)夾表器,實(shí)現(xiàn)被檢浮子流量計(jì)的安裝與拆卸。稱重系統(tǒng)包括換向器、稱量容器和電子秤。稱重系統(tǒng)下部為工作臺(tái)面,同樣安裝水平尺、腳輪和可伸縮支腳,實(shí)現(xiàn)被檢浮子流量計(jì)與稱重系統(tǒng)的連通。
　　裝置設(shè)置2個(gè)檢定臺(tái)位,DN25以下包括DN15、DN20和DN25為一~條管線,另一個(gè)為DN32、DN40和DN50浮子流量計(jì)檢定臺(tái)位。采用變換管段的方式,在有限的2個(gè)工作臺(tái)位上覆蓋了DN15~DN50所有管徑浮子流量計(jì)的檢定能力。一個(gè)臺(tái)位工作的同時(shí)可在另一個(gè)臺(tái)位安裝被檢表,可有效提高檢定效率。
　　機(jī)械設(shè)計(jì)上,采用電動(dòng)數(shù)控?fù)Q向器和夾表器超限報(bào)警,提高檢測(cè)過程的自動(dòng)化和智能化程度。首先,電動(dòng)換向器控制精度高,且在現(xiàn)場(chǎng)不具備壓縮空氣的情況下仍可使用。其次,在夾裝過程中,浮子流量計(jì)尤其是無導(dǎo)向結(jié)構(gòu)流量計(jì)的玻璃管極易被氣動(dòng)夾表器夾碎,采用帶有夾緊力超限報(bào)警功能的手動(dòng)夾表器可以有效解決這個(gè)問題。再次,浮子流量計(jì)的正確檢測(cè)需要垂直穩(wěn)定流場(chǎng),對(duì)進(jìn)、出口管道同軸度和工作臺(tái)面的垂直度要求比較嚴(yán)格。通過水平泡調(diào)節(jié)工作臺(tái)面的水平度,可保證被檢流量計(jì)的傾斜度小于2°。
 
2..3裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　裝置控制部分主要包括夾緊力控制系統(tǒng)、換向器控制系統(tǒng)和稱重控制系統(tǒng)(圖2),獲取電子稱讀數(shù)、控制夾表器、控制換向器動(dòng)作、控制底閥開關(guān)、脈沖計(jì)數(shù)等由計(jì)算機(jī)完成。在夾緊力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),上,考慮到被檢浮子流量計(jì)容易損壞,在每個(gè)夾表器.上安裝夾緊力傳感器(夾緊力測(cè)試儀1和夾緊力測(cè)試儀2)。當(dāng)夾緊力過大時(shí),由計(jì)算機(jī)進(jìn)行夾緊力超限報(bào)警,提示操作人員停止夾緊動(dòng)作;換向器控制系統(tǒng)中,換向器是液體流量裝置的重要組成部分,其不確定度大小對(duì)裝置整體合成不確定度有較大影響1011)影響換向器精度的主要因素是實(shí)際注水時(shí)間和觸發(fā)光電信號(hào)所產(chǎn)生時(shí)間之間的誤差凹本裝置采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)分水器換向,由PLC發(fā)送脈沖控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。通過PLC的高速脈沖輸出通道,向換向器的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器按照勻加速-定速勻減速的方式發(fā)送脈沖,換向器電機(jī)帶著換向器導(dǎo)流體進(jìn)行加速-勻速-減速的運(yùn)行�？刂茡Q向器運(yùn)動(dòng),保證裝置不確定度水平;稱重控制系統(tǒng)中,裝置主標(biāo)準(zhǔn)器精度高電子秤通過485通信模式,將傳感器讀數(shù)傳輸至PLC控制器,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。
 
2.4裝置連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　浮子流量計(jì)檢定裝置和液體流量裝置連接后的系統(tǒng)示意圖如圖3,組合裝置由儲(chǔ)水系統(tǒng)、水源循環(huán)穩(wěn)壓系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、裝夾表系統(tǒng)、水流換向系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)器和儀表檢定管線系統(tǒng)組成。在水流量裝置管段前后安裝三通閥和預(yù)留旁路,通過控制三通閥實(shí)現(xiàn)水流在試驗(yàn)管路和旁路之間的切換,三通閥的一端分別通過軟管與可移動(dòng)浮子流量計(jì)檢定裝置的人、出口相連,形成浮子流量計(jì)檢定回路。浮子流量計(jì)檢定裝置和液體流量裝置連接成高效組合裝置,將水平流場(chǎng)轉(zhuǎn)換成適合浮子流量計(jì)檢定的垂直流場(chǎng)。
 
3浮子流量計(jì)檢定裝置的不確定度分析
　　依據(jù)JJG164-2000液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程對(duì)浮子流量計(jì)檢定裝置進(jìn)行不確定度評(píng)定叫。不確定度分量主要包括計(jì)時(shí)器、電子秤和換向器。利用北京計(jì)量院水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為動(dòng)力源,對(duì)研發(fā)的浮子流量計(jì)檢定裝置進(jìn)行不確定度評(píng)定。換向器在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置各組成部分中極為關(guān)鍵,在整個(gè)裝置不確定度中占有相當(dāng)比重,是整個(gè)裝置不確定度的主要來源,本文采用行程差法對(duì)換向器換人/換出重復(fù)性誤差進(jìn)行測(cè)量。浮子流量計(jì)檢定裝置各不確定度分量評(píng)定結(jié)果見表4和表5。
 
　　依據(jù)JJG164-2000,浮子流量計(jì)檢定裝置的合成不確定度u=0.1095%,裝置的擴(kuò)展不確定度
U=k·u=2.23x0.1095%=0.2441%~0.25%(k-=2.23)。
　　1.0級(jí)為浮子流量計(jì)的最高精度等級(jí),浮子流量計(jì)檢定裝置的擴(kuò)展不確定度應(yīng)優(yōu)于被檢流量計(jì)最大允許誤差的1/2日。組合裝置擴(kuò)展不確定度0.25%,滿足最高等級(jí)浮子流量檢定要求。
4解決的問題
　　本文解決的問題包括:
1)采用電動(dòng)數(shù)控?fù)Q向器技術(shù),解決移動(dòng)裝置在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí),由于不具備壓縮空氣,帶來的換向稱.重系統(tǒng)無法使用的問題。
2)采用帶有夾緊力超限報(bào)警功能的手動(dòng)夾表器,解決玻璃管浮子流量計(jì)夾裝過程中,容易被夾表器損壞的問題
3)解決了多種工作介質(zhì)浮子流量計(jì)的檢測(cè)問.題本裝置可與各種裝置包括水流量、油流量、高黏液體流量等連通,實(shí)現(xiàn)各種浮子流量計(jì)包括玻璃浮子流量計(jì)、金屬浮子流量計(jì)和塑料浮子流量計(jì)等.的在線檢測(cè),無需刻度換算和粘度修正。
4)提高了檢測(cè)效率。裝置設(shè)計(jì)2個(gè)被檢表臺(tái)位,每個(gè)臺(tái)位都有各自的開關(guān)閥和流量調(diào)節(jié)閥。相.互獨(dú)立、互不影響,在檢測(cè)一臺(tái)流量計(jì)的同時(shí)可以更換另一臺(tái)位的被檢表。
5結(jié)束語
　　一種可移動(dòng)拆卸方便、可快速組合的浮子流量計(jì)檢定裝置,為保證測(cè)量精度采用電動(dòng)換向器減少換人/換出行程差和重復(fù)性誤差,為避免浮子流量計(jì)被夾碎設(shè)計(jì)了夾緊力報(bào)警功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,組合裝置的不確定度(U=0.25%,k=2.23)可有效滿足DN15~DN50,流量范圍0.006~16m3/h浮子流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)檢定需求。

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