主动式体积管实现微小流量校准的改造

韩义中，官志坚

(中航长城计量测试(天津)有限公司，天津300457)

0 引言

我所建成的润滑油流量标准装置采用国际上油品计量广泛使用的主动式体积管方式构造而成。该标准主要用于使用高粘度油品如航空润滑油等为介质的流量计的检定与校准工作，测量范围:100～10000 L/h，相对扩展不确定度U=0.08%(k=2)。油流量标准装置自2001年投入使用以来已广泛服务于国防科技工业及地方企事业单位，但随着越来越多小口径流量计的运用，现有的量程已不能满足校准的需求，需进行流量范围扩展。

1 主动式体积管装置的构成及原理

主动式体积管装置主要由伺服电机、丝杠精密标准体积管、管路及相应采集控制设备组成，原理如图1。其具有准确度高，流量范围大，自动化程度很高、效率高、并且具有占地面积小、噪音小、全密闭运行、无污染等特点是中小口径油品流量计校准的理想设备。

工作原理:校准前开启阀1、2关闭阀3，由伺服电机通过滚珠丝杠带动活塞在主动体积管中运动，产生标准流量源(标准流量的大小由上位机软件通过调节电机转速进行控制)，液体通过阀1流经被校流量计，最终流入油箱。光栅用于测量活塞行程，活塞行程与活塞截面积的乘积再除以运行时间就得到体积流量，通过比较被校流量计的示值与体积管测量的标准体积流量值实现流量计的校准。

图1 主动体积管装置原理图

2 装置的改造方案

2.1 装置现有不足分析及改造方案

前文已经提及主动体积管通过光栅测量活塞行程，活塞行程与活塞截面积的乘积再除以运行时间就得到体积流量。为了保证装置的相对扩展不确定度U=0.08%(k=2)，要求每次校准时光栅的测量距离大于等于50 mm，本装置中活塞有效截面积为0.041289 m2，即每次校准体积要大于等于2.0645 L。这样在校准小流量时时间太长，效率太低，如以校准5 L/h为例需要的校准时间为1486.44 s，为了提高微小流量的校准效率需要对现有的装置进行改造。

有多种改造方案可供选择，一种是新增加更小容积的主动式体积管，另外一种是在原有装置上增加电子天平主标准器。现有装置只是在微小流量校准时效率不高，但其能产生微小流量源且足够稳定(小于等于0.05%)，因此考虑采用第二种方式，可大大节约成本。

2.2 装置现有指标及改造后指标

改造前指标:

流量范围:(100～10000)L/h

装置的扩展不确定度:U=0.08%，k=2;

改造指标:

流量范围:(1～100)L/h

装置的扩展不确定度:U=0.05%，k=2;

2.3 主标准器选型

在选择电子天平时综合考虑了流量范围，精度，检定效率。最终选择了2台梅特勒.托利多公司的高精度电子天平，具体选型如表1所示。

表1 电子天平主要参数

在本项目中最大流量的检定时间最长可达79s，充分保障装置计时、计脉冲的精度，最长测量时间为220S，相对采用体积管效率大大提高。由于电子天平属于精密仪器，现场振动对其精度会有影响，为了降低此类影响，为两台天平设计了减震底座。对于MS8001S与MS503天平由于其分辨力较高，现场的振动与气流都会对其测量造成影响，为此在天平外围安装有机玻璃外框对其密封，避免空气流动对它的影响。

依据校准机构给出的证书得到其A类与B类不确定度分别为

2.4 换向机构的设计

换向器的主要作用是将液体换入或换出容器，便于电子天平进行称量，是高准确度质量法装置的必备部件。现有的换向器一些固有的缺点:①一般口径不能太小，且流量不能太小，流量太小液体完全顺着墙壁流下，换向误差加大;②对介质粘度敏感，挂壁现象严重［1］。在装置中为了解决小流量1～100 L/h换向以及高粘度润滑油挂壁问题，在现有的开式换向器基础上进行了相应的改进。采用二位三通快响应电磁阀进行换向(换入与换出时间差小于5 ms)，同时采用更接近工况的流量计法对换向器进行检定［2］，确保换向机构的高准确度。两台天平各配置一台换向器。

依据检定规程实验得出两台换向器的A类与B类不确定度分别为

2.5 采集控制系统设计

改造部分的控制采集信号主要包括电磁阀换向控制、脉冲信号采集、天平读数等，其中关键部分为脉冲信号采集。

采用传统的脉冲信号采集方式时，为了保证仪表系数的检定精度计数器的计量准确度为0.01%，至少要采集10000个脉冲，这就要求称量的时间足够长、称量的容器足够大造成制造成本增加，如已常用的CLG-4涡轮流量计为列其流量为15L/h时频率约为20Hz，显然无法满足10000个脉冲的要求。针对这一问题设计了双时间计数模块，确保在装置的最短测量时间内1～10000Hz的测频误差小于0.01%。

依据检定规程实验得出计时器的A类与B类不确定度分别为

3 改造部分不确定度分析

本文中介绍的适合高粘度、微小流量校准的高准确度流量标准装置主要有如下创新与特点:

依据液体装置检定规程，质量法体积流量合成相对标准不确定度为:

式中:u1A为计时器A类不确定度;u1B为计时器B类不确定度;u2A为换向器A类不确定度;u2B为换向器B类不确定度;u3A为天平A类不确定度;u3B为天平B类不确定度;u4为天平分辨力引入的不确定度;u5为密度测量引入的不确定度。

经计算u=0.024%，取包含因子k=2，于是扩展相对不确定度为

符合改造技术要求。

4 不确定度验证

由于国内没有类似微小流量的润滑油流量标准装置可供比对，故采用本装置体积管与改造部分进行比对，体积管能达到的下限流量为6 L/h，比对用流量计采用max公司的max213容积式流量计。改造部分的相对扩展不确定度U=0.05%，(k=2)，采用本装置与我所已建标装置(相对扩展不确定度U=0.08%，(k=2)对齿轮流量计样品在相同流量点下进行校准，校准结果进行En计算，结果如表2。

表2 不确定度数据验证表

由表2可知在6～100L/h流量范围内装置比对的En值小于1，证明了装置相对扩展不确定度达到设计要求。

5 结束语

本文通过对主动式体积管进行增加电子天平主标准器的改造，实现了微小流量标准，最小流量可致1 L/h最终装置的量程比达10000∶1。实现了高准确度与高效的有效融合，为主动式体积管的流量范围扩充找出新的途径，可以在宽量程、微小小流量、高粘度、高精度流量校准和流量测量中得到广泛的应用。

［1］Kar-Hooi Cheong，Takashi Shimada，Ryouji Doihara.A New Calibration Facility for Small Flow of Hydrocarbon Liquid.15th Flow Measurement Conference(FLOMEKO).October 13-15，2010 Taipei，Taiwan.

［2］孟涛、王池、陈晓铭.流量装置中换向器检定方法的研究［J］.计量学报.2008，29:420-422.

［3］国家质量监督检验检疫总局.JJG164-2000液体流量装置检定规程［S］.北京:中国计量出版社，2000.