活塞式液体流量标准装置流量稳定性测试

信彦峰　贾正红　桑培勇　卜庆娟

(国防科技工业4113二级计量站，新乡 453049)

0　引言

我站于2012年建立了冷却液流量标准装置，该装置采用主动活塞式工作原理，工作介质为65号航空冷却液(水基、低粘度)，适用于冷却液及相近流体的流量计校准，用于统一国防冷却液流量量值，保证相关军工产品的质量。装置建成后，我们依据JJG 209—2010《体积管》检定规程对装置核心部件——体积管进行了检定。虽然目前检定规程中未对此类装置的流量稳定性做明确规定，但装置流量稳定性仍是评价装置性能的重要指标，且业界普遍认为流量稳定性一般应优于装置不确定度的1/2。因此我们依据JJG 164—2000《液体流量标准装置》对装置的流量稳定性进行了测试。文章主要介绍装置主要原理、测试方法、测试数据，并对结果进行了分析。

1　装置的原理

装置主要由伺服电机、伺服电机控制机构、滚珠丝杠、光栅尺、活塞缸、活塞、温度测量系统、压力测量系统、管路及流体箱、计算机数据采集和控制系统等组成，伺服电机与滚珠丝杠匀速拖动活塞，使流体从活塞缸中排出并通过被校流量计。装置工作原理图如图1所示。

图1　装置的工作原理图

如果在时间间隔t内活塞移动所排出的流体的体积为V，即可计算出标准流量qV：

qV=V/t

(1)

2　装置流量稳定性测试

装置的设计流量范围0.1～50m3/h。选择在上限流量、中间流量及下限流量下进行测试，单点测试次数n≥10，测试验证各点流量稳定性，取其中流量稳定性的最大值作为整个装置的流量稳定性，根据行业对流量稳定性的通用要求(一般应优于装置不确定度的1/2)判定装置流量稳定性能指标。

装置各流量点平均流量的计算公式如下：

(2)

装置流量点下流量稳定性的计算公式如下：

(3)

式中：q为各流量点流量平均值；qi为连续测量n(n≥10)次，各流量点第i次的流量值(i= 1，2，…，n)；Eq为装置流量点下流量稳定性；k为覆盖因子(查表得出k=2.23)。

1)装置上限流量稳定性测试，测试标准体积65L，单次测试时间4.68s。装置上限流量测试数据如表1所示。

表1　装置上限流量测试数据表

平均流量：q=50.0057m3/h；稳定性：Eq=0.0064%。

2)装置中间流量稳定性测试，测试标准体积35L，单次测试时间5.25s。装置中间流量测试数据如表2所示。

表2　装置中间流量测试数据表

平均流量：q=24.0040m3/h；稳定性：Eq=0.011%。

3)装置下限流量稳定性测试，测试标准体积2L，单次测试时间72s。装置下限流量测试数据如表3所示。

表3　装置下限流量测试数据表

平均流量：q=0.09594m3/h；稳定性：Eq=0.045%。

测试环境温度：25.1℃；环境相对湿度：30.4%RH；大气压力：100657Pa。

3　结果分析

装置上限流量稳定性为0.0064%，中间流量点稳定性为0.011%，下限流量时稳定性为0.045%。从计算结果分析，装置流量稳定性随着流量的减小呈现增大趋势，这种趋势与静态质量法流量标准装置类似。经过分析，造成这种结果的原因主要是：1)随着流量点的变小，考虑实验时间因素，测试采用的标准体积值逐渐变小，但位移测量系统的测量步距为固定的0.5μm，因此由位移测量系统引入的误差呈增大趋势，可能造成流量稳定性变差；2)随着流量变小，活塞系统的动载荷不稳定性增加，伺服电机的稳定性变差，在极小流量状态下活塞还有可能出现爬行现象，可能造成流量稳定性变差；3)实验数据采集和处理过程中的有效位不同对于流量稳定性测试的影响，可能造成小流量稳定性变差。

经合成，装置的扩展不确定度U=0.046%(k=2)。然而，流量稳定性在全量程难以满足通用要求。装置如果要满足0.2级流量仪表的校准要求，装置的扩展不确定度U应优于0.067%(k=2)，流量稳定性相应地应优于0.034%。就本装置而言，要达到该指标，目前最为有效的手段是提高装置下限流量。

4　结论

流量稳定性是衡量流量标准装置性能的重要指标。通过相关测试分析，我们发现主动活塞式液体流量标准装置同静态质量法液体流量标准装置存在类似的性能趋势，随流量变小装置流量稳定性呈变差趋势，原因可能均缘于流量源动力系统稳定性变差和测量标准分辨率所限等，其中部分因素可通过技术手段来改善。当然，适当提高装置下限流量或分流量段使用也是一种消除流量稳定性影响、提高装置性能的有效手段。在一定程度上，装置流量稳定性也可以作为界定装置流量范围的一种参考依据。

[1]苏彦勋，李金海.流量计量.北京：中国计量出版社，1991

[2]段慧明，翟秀贞.液体流量标准装置.北京：中国计量出版社，2000

[3]苏彦勋，梁国伟，盛健.流量计量与测试.北京：中国计量出版社，2007

[4]徐英华，王自和，孟涛，等.JJG 209—2010体积管检定规程.北京：中国计量出版社，2010

[5]王池，王自和，张宝珠，等.流量测量技术全书.北京：化学工业出版社，2012