基于流量计的计量泵性能测试装置的研究

郑 超,王玉刚,赵晓东,叶定拥,杨华峰,张洪军

(1.中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018;2.浙江爱力浦科技股份有限公司,浙江 台州 317100)

计量泵是工业生产、环境保护和市政工程中必不可少的设备,广泛用于城乡水务系统、化工、石油、制药、食品等行业[1]。在工艺流程中,计量泵用来输送辅助药剂到相关系统,通常要求输送的药剂流量要非常精确[2]。为保证计量泵的产品质量,除了改进产品设计、材料和生产工艺外,先进的检测技术也必不可少。根据GB/T 7784—2006的规定[3],计量泵测试装置中流量测量一般采用质量法、容积法或流量计法。质量法和容积法可以准确测量脉动流的累积值,但是测量时间较长,效率不高[4]。使得流量计的测量效率高,但其准确性受到被测流体压力、流动是否稳定等因素影响。计量泵是高压往复泵,测试管路中流体为脉动流,流量和压力呈周期性变化,一般的流量计难以准确跟踪,流量测量准确度得不到保证。科氏质量流量计能直接测量质量流量,相比其他类型的流量计,不易受温度、密度和流动状态的影响[5],在测量脉动流体流量方面有一定的优势。

本研究从加强企业在线检测能力,提升经济效益的实际需求出发,设计了一套基于流量计的计量泵性能测试装置,针对流量大小、系统背压和流体脉动幅度进行流量和压力的测量试验,将流量计测量值与流量标准装置测得的数据进行比对,判定测试装置准确度是否满足要求。

1 测试装置和试验方法

1.1 计量泵测试装置设计

本文主要目的是研究基于流量计的计量泵测试装置,安装于测试装置中的流量计工作条件是脉动流动且工作压力在较大范围内变化,其工作特性如何,计量性能是否满足需求?为了对流量计测量误差进行研究,设计了由计量泵测试管路和静态质量法流量标准装置组成的实验系统,系统组成和工作原理如图1所示。

1、6、7、10、11、16、20—截止阀;2—待测计量泵;3—缓冲罐;4—压力变送器;5—换向阀;8—科氏力质量流量计;9—电磁流量计;12—温度变送器;13—压力表;14—流量调节阀;15—背压阀;17—换向器;18—称量容器;19—电子秤;21—水箱;22—信号调理器;23—数据采集卡;24—上位机图1 计量泵性能测试原理图Figure 1 Principle diagram of metering pump performance test

计量泵测试管路是系统管路的主体部分,主要包括待测计量泵、科氏质量流量计、电磁流量计、缓冲罐、背压阀、流量调节阀、压力测量仪表和变送器、水池和连接管等,其中缓冲罐有3种容积,分别为0.6 L、1.2 L和2.2 L。国外现有测试装置(如Milton Roy)中一般使用科氏质量流量计作为流量标准。该种流量计流动阻力大、成本高,电磁流量计这两个指标相对较好,如果能够满足需要,是比较好的选择,为此测试管路中并联安装两种流量计,分别试验其计量性能。背压阀的作用是提供计量泵工作所需的背压,而流量调节阀的作用是对背压进行精确调节。基于三个不同容积的缓冲罐可进行不同的压力和流量脉动试验。

静态质量法流量标准装置主要包括换向器、称量容器、电子秤和阀门等。静态质量法是通用的流量标定方法,能够实现较高精度,对被检流量计进行检定或校准[6]。此外,系统还包括数据采集与控制单元,主要由上位机、多功能数据采集卡组成。

该装置的设计目标是满足50～500 L/h计量泵测试需要,因此选用流量仪表的量程为0～600 L/h,电子秤量程为15 kg,分度数7 500,即分辨力2 g,使得静态质量法流量标准装置测量不确定度优于±0.1%。测试装置中主要部件规格型号及主要性能指标列于表1。

表1 主要部件参数指标Table 1 Parameter index of main components

两台流量计均输出4～20 mA的电流信号,在接入采集卡之前需要借助信号调理器转换成标准的0～5 V电压信号[7]。压力变送器输出的是0～5 V标准电压信号,可直接接入采集卡。

基于LabVIEW编写上位机程序[8,9],用来完成流量和压力数据的采集、显示和存储以及测试过程中相应的控制操作。

1.2 试验方法

被测计量泵型号为JXM-A-120/0.7,最大额定流量120 L/h,额定压力0.7 MPa,稳定性精度±2%。

试验之前,需要对科氏质量流量计进行调零,以获得准确的测量结果。调零时,要求流量计前后管路处于满管状态且管内流体静止,待进入稳定测量状态后,顺序关闭流量计下游截止阀11(或截止阀10)和上游截止阀6(或截止阀7),然后进行调零操作。

试验使用清洁水作为测试介质。测量时计量泵往复频率为72次/min,保持不变。调整计量泵行程长度以改变流量,相对行程长度为:100%、75%、50%、30%,输出流量分别对应流量计校准中的4个流量点;调整背压阀以改变计量泵的工作背压,分别为:0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa和0.7 MPa。上述试验参数为24种组合,缓冲罐有3种容积,分别为0.6 L、1.2 L和2.2 L。每个工况采集5次数据,瞬时流量和压力信号采样频率为1 kHz,每次测量信号采集时间为20 s,流量标准装置中电子秤直接读取20 s时间内的累积流量。

由于科氏质量流量计测量精度优于电磁流量计,试验使用质量流量计进行全工况测量,针对电磁流量计进行了部分工况测量试验。

2 科氏质量流量计测试及分析

2.1 瞬时流量和压力

图2给出的是相对行程长度Sre=100%、背压Pb=0.2 MPa情况下3个瞬时流量测量信号,分别对应3种容积的缓冲罐。图中可见,瞬时流量信号接近正弦曲线。根据往复式计量泵工作原理,柱塞(或液压)正行程时工作,推动流体介质出流,反行程时泵出口单向阀关闭,流体介质不会跟着回流,因此,泵头出口处的流体流量(或流速)随时间变化信号应为只有正半周期的正弦曲线,如图3所示。显然,由于缓冲罐内气室缓冲作用,以及流体介质可压缩性(尽管很小),使得计量泵正行程时缓冲罐内气体被压缩、压力升高,反行程时缓冲罐内气体膨胀、继续推动流体流动,同时压力下降(参见图4),管路内部实际瞬时流量信号变为完整的正弦曲线。从图2中瞬时流量曲线可以看出,缓冲罐容积V从0.6 L增大到2.2 L时,流量脉动幅度变小,脉动幅值从约2 kg/h降到约1 kg/h,而流量平均值变化不大,约为139 kg/h。

图2 流量计瞬时流量曲线(Sre=100%、Pb=0.2 MPa)Figure 2 Instantaneous flow curve of flowmeter(Sre=100%、Pb=0.2 MPa)

图3 计量泵出口流量曲线(理想状态)Figure 3 Flow curve of metering pump outlet(under ideal state)

图4为相对行程长度Sre=100%、背压Pb=0.2MPa情况下,对应3个不同容积缓冲罐时压力时域信号图。压力也是周期性信号,但与瞬时流量不同,压力时域图不是正弦曲线,而是锯齿形曲线。瞬时压力在平均压力(大约0.2 MPa)附近上下波动,随缓冲罐容积增大,压力波动幅值下降。

图4 管内压力时域信号(Sre=100%、Pb=0.2 MPa)Figure 4 Time domain signal of pressure in tube(Sre=100%、Pb=0.2 MPa)

为了全面了解流量脉动、压力脉动与流量、背压大小,以及缓冲罐容积之间的关系,将各工况下流量和压力信号进行处理,计算出每个工况下流量和压力的时间平均值和脉动值(均方根值)[10],并将脉动值进行无量纲化处理,计算公式为:

(1)

表2 流量平均值、脉动值和压力脉动值汇总表Table 2 Summary of mean flow, pulsation and pressure pulsation

2.2 流量测量误差

将流量计测量结果与流量标准装置数据进行比对,考查两种流量计在不同压力脉动流动测量时准确度是否能够保证。相对测量误差计算公式如下:

(2)

科氏质量流量计的流量测量误差数据列于表3,其中流量数据为5次测量的平均值。表3数据可见,质量流量计测量结果均为正偏差。为了直观地显示误差的规律,将测量误差数据以曲线形式给出,见图5。

图5 科氏质量流量计测量误差曲线Figure 5 Measurement error curve of Coriolis mass flowmeter

表3 科氏质量流量计测量误差数据Table 3 Measurement error data of Coriolis mass flowmeter

图5显示,相对行程长度(即流量大小)和背压对流量测量误差没有明显影响,说明测试装置在试验工况下测量性能稳定。3个缓冲罐对应数据差别不大,说明试验范围内,流量脉动幅值大小对测试装置测量误差基本没有影响,这一点与文献[11]中的相关试验结果相吻合。

根据表3数据,测量值绝对误差(q-qs)随计量泵相对行程长度(即流量大小)的减小而减小,但都呈现正误差,这是流量计出厂校准的数据引起的。相对误差都在1%以内,绝对误差数据最大值为1.01 kg/h,根据文献[3]的要求,计量泵出厂检测时流量测量不确定度应在±1.5%以内,型式评价和抽检时,流量测量不确定度应保证在±1.0%以内,试验中流量计测量误差均小于该值,试验中最小流量已低于50 L/h,说明使用科氏质量流量计,在50～500 L/h范围内能够满足流量计量性能要求。

3 电磁流量计测试及分析

电磁流量计测试试验中选择1.2 L的缓冲罐,分别在4个流量点和6种背压进行测试,电磁流量计的测量误差结果列于表4。

根据表4数据,测量值绝对误差变化规律同样是随流量的减小而减小,但均为负偏差,其中绝对误差最大值为-1.09 kg/h。流量大于50 L/h的测量数据,测量误差都在±1.0%以内,说明电磁流量计也能满足装置流量计量精度要求。

表4 电磁流量计测量误差数据Table 4 Measurement error data of electromagnetic flowmeter

上述对于科氏质量流量计和电磁流量计验证结果表明,对于本文中所设计开发的计量泵性能测试装置,这两种流量计都可满足精度需求。从经济性和节能的角度出发,电磁流量计价格较低且工作过程中没有压力损失,能耗较小,可作为测试装置的首选流量计。但前提是以可导电的介质作为工作流体。科氏质量流量计对工作介质的包容性更广,可用于非导电流体测量,测量精度更高,因此具有更广的使用范围。

4 结 论

本文设计了一套基于流量计的计量泵性能测试装置,对装置流量测量准确性以及背压与流动脉动对流量测量的影响进行了研究。流量和压力脉动与缓冲罐容积呈反比,压力脉动值会随着流量和背压的增大而增大;在试验参数范围内,装置的流量和压力脉动以及背压对于文中两款流量计的流量测量精度几乎没有影响,装置满足测试精度要求;给出了流量计选择的建议,工程人员可根据特定需求选择合适的流量计。