高精度水力机械试验台流量原位标定研究进展

车晓红　成　立　汤方平

摘要:综述了国内外在流量计标定技术、流量计原位标定方法和国内现有试验台原位标定装置的一些研究成果,分析了流量原位标定装置研制的发展趋势。指出为保证试验台流量精度,应根据试验台实际情况综合分析,采用合理的流量计原位标定装置,达到既保证精度要求又降低造价的目的。提出应在试验台原位标定方法、原位标定系统不确定度及计算机控制技术在原位标定过程的应用等方面开展深入研究。

关键词:试验台;原位标定;流量;进展

中图分类号:TV131.6;TK730.7文献标识码:A 文章编号:1672-1683(2009)05-0049-03

Review on the Flow Calibration of High-Precision-Hydromachine-Test-Rig

CHE Xiao-hong1,CHENG Li2,TANG Fang-ping2

(1.Hanjiang Radio & TV University,Yangzhou 225009,China;

2.Hydrodynamic Engineering Laboratory of Jiangsu,Yangzhou University,Yangzhou 225009,China)

Abstract: The paper summarizes some research results in China and abroad: calibration technique of flowmeters,the methods of discharge calibration for test rig and systems of calibration. The trend of calibration system is analyzed. According to the comprehensive analysis,suitable calibration system should be adopted to achieve both decreasing cost and ensuring accuracy. Depth researches on application of methods of calibration,uncertainty synthesis of system and computer control technique in the process of calibration are suggested.

Key words: test rig;calibration;discharge;review

随着我国国民经济的迅速发展,水电站及水泵站现代化建设也得到快速发展,工程的建设、发展,迫切需要对相关关键技术开展深入研究:如性能优异的新型水力机械;叶轮及流道整合的系统(装置)的水力特性、动力特性、汽蚀特性、稳定性等。高精度的水力机械试验台满足了这些需求,国内试验台主要分布在哈尔滨东方电机厂、中国水利水电科学研究院、扬州大学、河海大学、江苏大学等研究机构和高校,国外有Adelize国际水力机械独立实验室、日立公司、美国Laval大学[1]、法国Federal Polytechnic试验台[2]等。

水力机械试验台主要工作参数有扬程、流量、转矩和转速等,其中流量的测量是难度最大的,它对试验台的测试精度起着决定性的作用。为保证试验台精度和试验稳定性,除了选择高精度的测流设备外,还需有高精度的流量原位标定手段。

本文综述了流量计标定技术和水力机械试验台原位标定系统研究现状,指出了流量标定装置研制的发展趋势,并提出了试验台原位标定研究的方向。

1 流量计标定方法

目前世界上流量计标定方法主要有两种:直接测量法和间接测量法[3-4]。

1.1 直接测量法

直接测量法又称为实流检定法,是以实际流过被检流量计,在用标准装置(标准流量计量器具或标准流量计)测出其流过流量计的流量与被检流量计的流量示值比较。实流检定法测得的流量值既可靠又准确,是目前许多国家在标定流量计时所采用,而且是作为建立标准流量的方法。

实流校验分为离线实流校验和在线实流校验。

离线实流校验是将流量计置于实验室的流量标准装置上(见图1)在参比条件下测得流量计流量测量范围及其基本误差。这类装置具有规范化的国际标准或国内标准和相应的检验规程。目前我国大部分流量计标定采用该方法。

在线实流校验则是将流量计安装在现场管道上,设置适合在现场校验的流量装置,不一定完全符合参比条件下校验的要求。校验结果所得误差为现场实际误差,包含基本误差和附加误差两部分。现场在线校验只能获得实际误差,不能按参比条件确定其基本误差。现场在线校验时,应按实际使用条件灵活地确定标定方案。

1.2间接测量方法

间接测量法是以测量流量计或传感器的结构尺寸或其他与计算流量有关的量,并按规定方法使用间接地校准流量计获得相应的准确度。作为间接测量法的典范,标准差压流量计中已标准化了的孔板、喷嘴和文丘利管,就是检测其几何尺寸与校验配套差压计的差压值,而其他(如电磁、涡街流量计)间接测量法还正在标准化研究中。大管径、大流量的测量迫在眉睫。

大型实流检定流量计所用的设备造价昂贵、很难普遍建立。目前世界上解决该问题的趋势是采用直接法和间接法相结合的方法。例如对流量较小的中、小口径的流量计作实流校验(定量标定)后,采用串联解决小流量实流标定。在用实流标定之后的标准流量计,采用并联解决大口径流量计的实流标定。

2 水力机械试验台流量原位标定方法

目前,国内外水力机械试验台流量测试采用的流量计[5-6]主要有:标准差压流量计、孔板流量计、电磁流量计、超声波流量计、涡轮流量计等,其中在高精度实验室中采用最多的是电磁流量计、超声波流量计和文丘里流量计,虽然它们初期投入使用正常,但随着时间的推移,如何保证测试准确度,对实验室维护人员提出了较高的要求。由于使用的环境、安装条件的影响,流量计测量系统测试不确定度仍将发生变化。为了保证流量计的流量值和准确度,必须对流量计进行原位流量检定或标定。

所谓原位校正是指测量仪表在试验现场安装好的条件下用高一级精度仪表进行的校正。原位校正后的流量计精度,与高一级精度的仪表精度有关。

根据相关试验规范[7],能在试验室条件下实现高精度流量测量的方法如表1所示。

其他的流量测量方法如标准孔板,标准文吐里管、堰、速度面积法、示踪法,由于测量精度不高,在高精度测试中难予考虑。上表的基本方法(原级方法)中,称重法具有最高测量精度,但需要有大型称重容器。一般用高精度天平对精度的容积进行校正,校正时间应大于60 s,适用于流量小于1.5 m³/s的流量测量;容积法,一般仍用高精度天平对精确的容积[25]进行校正,校正时间应大于60 s,可用于较大流量测量。

原级方法一般用于原位校正。例如,叶片泵能量特性试验[8],一条试验特性曲线(流量与扬程、泵效率等的关系)一般应测试13～15个流量点,并应在一次试验中完成。而原级试验方法,每测试一个流量点需要较长时间,因而一般在高精度试验中是采用经过事先原级方法原位校正的流量计进行流量测量的,其系统误差可保证在±(0.3%～1%)范围。

3 国内已建试验台流量原位标定装置

3.1 东方电机厂DF-18大能量水轮机模型试验台[9]

DF-18大能量水轮机模型试验台于1997年建成,主要用于贯流式、轴流式及低水头混流式等高比速水轮机的研究性模型试验。

流量的测量采用国产M960型双向电磁流量计进行测量,水平布置在管道系统的最底层,设计的管路系统可实现流量计的双向原位标定,流量计前后直管段长达10 m。流量计标定系统由水库、2 t标准量筒、90 t校正桶、流量切换器、时间测量装置等部分组成。标定流量采用称重法。2 t标准量筒采用精度为±1/20 000的标准砝码标定后作为90 t校正桶的标定标准,称重误差小于±0.01%。用校正桶对电磁流量计进行标定,经原位标定的电磁流量计,其重复度小于±0.2%。

3.2 富春江水电设备总厂水力机械通用试验台[10]

富春江水电设备总厂水力机械通用试验台于1984年新建,于1992年通过原能源部组织的技术鉴定。试验台设置了两个试验段:一个专用于灯泡贯流式机组的模型试验;另一个用于立式机组的模型试验。试验台可供卧式、立式不同类型的反击式水轮机、水泵进行全面的水力性能试验及模型验收试验。

试验流量采用德国Fischer-Porter公司生产的D10DK1425型电磁流量计测量。测量范围为0.05~1.5 m³/s。流量计用容积法进行原位标定。标定池有效容积165 m³,精度为±0.03%。流量测试误差±0.171%。

3.3 湖南省水力机械重点实验室[11]

湖南省水力机械重点实验室于1994年建成以电子称为特色的重量法和小流量标准筒容积法并存的高精度原位标定系统装置(图2),经湖南省计量测试技术研究所现场验收检定,系统装置准确度δ=±0.096%。该装置运行多年,标定流量计上百台,其精度都

在±0.3%之内。

该装置的特色是在电子称的旁通管上增设了一个0.9 m³的标准量筒(精度±0.03%),以保证小流量标定的精度。当用标准量筒标定流量时,则电子称的底阀常开,成为容积法的旁通。标准量筒和电子称重罐的两个放水阀及水流切换系统采用电控气动方式,用一台空气压缩机作为气源。切换装置配备高精度TP-I型时间脉冲同步计数器。切换的往返误差可控制在3 ms以内(标准规定为20 ms),保证了装置精度。

3.4 哈尔滨大电机厂高水头水力机械试验台[12]

流量采用精度为±0.2%的MSF900型电磁流量计,校准方法采用容积为120m³的精度为±0.08%的标准容积筒,通过管路切换,在不改变流量计的工作状态下进行校准;试验水头采用精度为±0.075%的3 051CD型差压传感器测量,采用精度为±0.02%的活塞压力计进行原位校准,力矩采用精度为±0.02%的1110-A0型负荷传感器,采用精度为±0.0 025%的标准砝码进行原位校准。效率试验精度为±0.25%。

3.5 中国水科院高精度水力机械模型试验台[13]

中国水科院水电所拥有3座高精度水力机械模型试验台,其中1号试验台于1987年通过技术鉴定,效率总误差保持在±0.25%以内;2号试验台为浑水模型通用试验台,试验综合误差小于±0.25%;3号试验台为高精度水力机械模型试验台,以封闭及半开敞式运行,能开展轴流、斜流、混流式水轮机、水泵及水泵-水轮机的常规性能试验研究及内特性专项试验研究,可进行机理性试验以及国内、国际水力机械模型验收试验,1991年通过水利部鉴定,其测试总误差小于±0.25%。

流量测量采用电磁流量计,标定系统由主动力水泵、电磁流量计、流量称重系统及水库水位控制系统等组成,可以进行正反两个方向的流量标定及测试。称重系统为独创的100 t电子测重流量计校正系统,由110 t秤重桶、3个50 t负荷传感器及测试仪表组成,其满量程测试范围为100 t,该称重系统采用水体置换法用高精度不等臂天平(精度为±0.5×10-5)每2年由中国计量科学研究院进行原位标定,称重桶的线性误差在±0.03%以内,为提高流量测试精度创造了良好的先决条件,处于水力机械行业国际领先地位。

4 流量标定装置发展趋势

近年来,随着新技术、新方法的不断出现,流量标定装置发展出现了多样化的趋势,主要表现为以下趋势。

4.1 不断提高流量标定装置的精度

高精度的流量标定装置通常采用静态质量法,研究的重点集中在减少称重系统的误差上。如PTB (德国国家物理实现室)[14]建造的一套高精度水流量标准装置采用了双翼片式换向器,提高了称重部分不确定度精度。

4.2 新的测量方法和测量手段出现

利用计算机网络技术,PTB对相距约300 km外的“pigsar”实现了远程检定[15]。随着新型流量计的不断出现,标准表法流量标准装置研究重新得到重视,匈牙利FLOMET公司以科里奥利质量流量计作为标准表,获得了优于0.01%的重复性[16]。巴西建造了一套用三台涡轮流量计作标准表的水流量标准装置[17]。

4.3 变频调速技术的应用

变频调速技术的普遍采用,节省了高位水塔高昂的建设费用和维护费用,并避免装置运行过程中由于流量调节阀造成的水头损失,具有显著的节能效果。上海威尔泰工业自动化股份有限公司[18]建立起一套全球最大的变水头大流量标准装置可以标定管直径10 mm至3 800 mm的电磁流量计,其流量范围为(0~25 000) m³/h。该装置由水池,变频泵循环系统,试验管路,高精度电子秤,标准容积段以及自动控制系统组成。其核心就是变水头部分,包括标准容积段、试验管路和可实时动态调节保证流量恒定的自动控制阀门,这是有别于其它高水头液体流量标准的主要方面。

5 结语

目前水力机械试验台测量系统精度得到不断提高,试验台原位标定装置越来越得到广泛重视。本文介绍了国内外在流量计标定技术、流量计原位标定方法和国内现有试验台原位标定装置的一些研究成果。为更好地保证试验台精度,首先应根据试验台实际情况综合分析,采用合理的流量计原位标定装置,达到既保证精度要求又降低造价的目的。其次应在以下方面进行更深入的研究探讨:①基于试验台的原位标定方法;②原位标定系统不确定度;③计算机控制技术在流量计原位标定过程的应用。

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