一种活塞式液体体积标准装置的研制

2015-06-09向德华欧阳琛

计量技术 2015年7期

关键词：量器活塞式活塞

李宁向德华朱宁欧阳琛

(湖南省计量检测研究院，长沙 410014)

一种活塞式液体体积标准装置的研制

李宁向德华朱宁欧阳琛

(湖南省计量检测研究院，长沙 410014)

设计了一种基于PLC自动控制和组态软件编程的被动活塞式液体体积标准计量装置，实现了5～1000L范围内任意体积测量，解决了容量比较法水不能自动提升的难题。分析了装置的不确定度来源，评定了装置不确定度(Ur(V))=2.6×10-4,k=2)，用一等标准金属量器验证了装置的准确度。

容量计量装置；活塞法；液体体积；标准装置

0 引言

容量计量标准器具分为四种：玻璃量器标准装置、衡量法容量标准装置、金属量器标准装置和计量罐容积检定装置[1]，前面三种方法都可以用水作介质实现体积值量值传递，但是水仅能流向位置低于标准装置的被检对象，且第一种和第三种装置的测量值不连续。体积管是用于检定累积式流量计的标准装置[2]，能够连续准确测量流体体积，田冠亚等人[3]研制的一种主动式活塞标准装置能够测量10～150mL水的体积，准确度0.124%，重复性0.032%；尹建等人[4]研制的一种新的活塞位移型流量标准装置能够检测累积式流量计，准确度0.1%，稳定性0.02%。活塞式液体流量装置准确度高，重复性、稳定性好，多数为主动式活塞，通常由伺服电机驱动，结构复杂，使用、维护都不方便，且单向使用，标准容积较小时，不能通过多次往复使用，测量比标准容积大的体积。为了解决上述问题，本文采用PLC和电控气动电磁阀控制介质流向，研制了一套4L被动活塞式液体体积标准装置(下称活塞式体积装置)，通过活塞双向连续计量，实现5～1000L范围内任意体积任意高度的容量测量。

1 结构和工作原理

活塞式体积装置由活塞缸、活塞、高精度光栅尺、三通阀和管路组成，装置如图1所示。

图1 活塞式体积装置结构示意图

其工作流程如下：将0.03MPa以上压力的水管与装置的入水口相连，出水口与被检容器相连。通过装置的触摸屏设定排气运行次数，排出活塞内空气，活塞到达初始位置；设定需要检测的体积，活塞开始往复运动。PLC控制图1中右侧三通阀连通出水口，左侧三通阀连通进水口，活塞杆伸出，同时测量出水温度和光栅位置；活塞到达最右侧后，PLC切换右侧三通阀连通入水，左侧三通阀连通出水，活塞杆缩进，同时测量出水温度和光栅位置。PLC根据被测体积，计算出活塞最后停留位置；活塞排水完成后，测量被测容器内水的温度和液位，软件自动计算出被测容器液位高度下20℃时的体积。

2 计算公式

活塞双向计量，最终的体积为每次伸出(正行程)、缩进(反行程)测得的脉冲数与对应脉冲当量之积，分别进行温度修正后再累加得到，该体积值为被检容器对应液位h时20℃的体积值，公式如下[5]:

β2(20-t0)+βw(t0-tj)]

式中：V20为被检金属量器在标尺高度h时20℃的容积值；Xi为第i次正行程累积脉冲数；Xj为第j次反行程累积脉冲数；f1为正行程脉冲当量,m3；f2为反行程脉冲当量,m3；β1为活塞缸体的体膨胀系数，℃-1；β2为被检金属量器的体膨胀系数，℃-1；βw为水的体膨胀系数，℃-1；ti为第i次正行程排水的平均温度，℃；tj为第j次反行程排水的平均温度，℃；t0为被检金属量器在标尺高度h时的水温，℃。

3 装置硬件及软件控制

系统上位机软件采用组态软件编程，实现检定校准全过程，包括活塞的计量校准、排气准备、数据采集与计算和控制运行等功能，其检定流程如图2所示。

图2 上位机程序流程图

活塞式体积装置依靠进水的水压驱动，活塞和光栅尺是计量核心，PLC和三通阀是实现装置功能的执行机构，硬件控制如图3所示。

图3 系统硬件设计框图

4 不确定度评定

4.1 数学模型

由于排水侧总与大气相通，水压接近大气压，因此不考虑缸体材料弹性变形的影响；考虑到双向与单向测量不确定度相近，为了简化，以正行程排水一次为例进行评定，其计算公式为：

V1=X1f1[1+β1(t1-20)+β2(20-t0)+

βw(t0-t1)]

式中：V1为一次测量中从活塞装置输入到被检金属量器的水在20℃的容积值；X1为一次测量中正行程累积脉冲数。

4.2 灵敏系数

在对水表检定装置的标准金属量器检定的一次测量过程中，正行程光栅脉冲数为76985，正行程脉冲当量f1=8.035×10-8m3，缸体膨胀系数β1=71.4×10-6℃-1，标准金属量器的体膨胀系数β2=50×10-6℃-1，水的体膨胀系数βw=2×10-4℃-1,活塞出口温度t1为20.4℃，标准金属量器水位达到设定值时水温t0为20.6℃，测量体积V1为6.1868×10-3m3。

c(X1) =f1[1+β1(t1-20)+β2(20-t0)+

βw(t0-t1)]=8.04×10-8m3

c(f1) =X1[1+β1(t1-20)+β2(20-t0)+

βw(t0-t1)]=7.70×104

c(β1)=X1f1(t1-20)=2.47×10-3m3℃

c(t1)=X1f1(β1-βw)=-7.95×10-7m3/℃

c(β2)=X1f1(20-t0)=-3.71×10-3m3℃

c(t0)=X1f1(βw-β2)=9.28×10-7m3/℃

c(βw)=X1f1(t0-t1)=1.24×10-3m3℃

4.3 不确定度分量计算

4.3.1 测量过程累计脉冲数引入的不确定度

4.3.2 脉冲当量引入的不确定度

根据本项目总结报告，评出脉冲当量引入的标准不确定度为：

u(f1)=3.68×10-12m3

4.3.3 活塞缸体的体膨胀系数引入的不确定度

4.3.4 活塞缸出口水温引入的不确定度

4.3.5 标准金属量器的体膨胀系数引入的不确定度

4.3.6 标准金属量器内水温引入的不确定度

4.3.7 水的体膨胀系数引入的不确定度

4.4 不确定度分量一览表

不确定度分量如表1。

表1 活塞式体积装置不确定度分量一览表

合成不确定度uc(V1)=5.38×10-7m3, 取扩展因子k=2，相对扩展不确定度为：

Ur(V1)=kuc(V1)/V1=1.8×10-4

反行程的脉冲当量及体积计算方法与正行程相同，因此其不确定度评定方法、模型均相同，反行程体积测量不确定度：

Ur(V2)=Ur(V1)=1.8×10-4

该装置体积测量相对扩展不确定度为：

5 实验验证

为了验证本项目活塞式液体体积装置的准确度，采用本装置和我院一等标准金属量器进行比对，选取我院5L和1000L二等标准量器分别作为传递标准，用本项目活塞装置和一等标准金属量器分别排出5.000L、1000.000L水注入5L和1000L二等标准量器中，通过二等量器的标高、分度值计算出二等量器的示值，重复实验6次，结果如表2。