主动柱塞式液体小流量标准装置及实验研究

(1.浙江大学海洋学院， 浙江舟山 316021； 2.浙江大学舟山海洋研究中心， 浙江舟山 316021；3.液化空气(中国)投资有限公司， 上海 200120)

引言

活塞式液体流量标准装置具有结构简单、体积小、计量精度高、易实现自动化的优点，国内外计量机构研制了多种结构及尺寸的活塞式流量标准装置[1]。美国NIST研制出了一套缸体有效容积为2 L，校准流量范围为190～5700 mL/min，测量扩展不确定度优于0.01(k=2)的被动式活塞液体流量标准装置，可用来实现对碳氢化合物液体流量计的检定[2]；台湾工业技术研究院研制出一种流量下限低至10 nL/min，流量测量不确定度范围在0.5%～3.0%之间的活塞式微流校准器，这大大提高了微小流量计在生物医药等领域的计量精度；浙江省计量科学研究院针对输液泵检定仪等检定需求研制了不同规格的液体小流量标准装置[3]。

本研究以某计量院检定需求为依托，针对小流量仪表业务量大、精度要求高等特点，提出了一种采用柱塞作为标准器的方案，结合高精度滚珠丝杆及伺服电机等控制技术，实现了小流量仪表的快速、自动、高精度检测。

1 装置总体设计

1.1 装置的结构

装置采用电机-标准容积缸的结构形式(如图1所示)，主要包括标准体积管系统、动力系统、测量系统、控制系统4个部分。

图1 装置原理图

标准体积管是装置的核心标准器，由柱塞缸、柱塞及密封件等零部件组成。柱塞缸入口侧连接补水管道，出口侧连接实验管道，柱塞缸的补水及流量输出切换通过气控阀门控制。柱塞选用柱形结构，装置以柱塞的外径作为计量基准，根据装置流量大小，选择合适的柱塞尺寸。缸体顶部配备1个密封圈座，柱塞与缸体间采用O形圈进行密封，由于装置选择立式安装结构，柱塞与密封件之间的受力均匀，密封效果好[4]。

动力系统包括伺服电机机构、伺服电机控制机构与传动机构。其中，伺服电机、伺服驱动器、滚珠丝杆采用标准成品进行集成。伺服电机本身自带编码器，具备发出脉冲的功能，可以实现精确定位。滚珠丝杆作为装置的直线驱动执行单元，由螺杆、螺母和滚珠组成[5-7]。

测量系统主要包括位移测量单元、时间测量单元、温度和压力数据采集单元3个部分。位移量的测量由编码器及丝杆配合完成，编码器将丝杆的转动圈数以脉冲的形式记录，结合丝杆的导程参数，从而计算得到柱塞位移值。时间测量由下位机PLC毫秒定时器来完成，在测量位移的同时，执行定时器指令启动定时，每1 ms触发一次定时中断，待装置测量结束，读取存贮器内中断次数，得到测量时间间隔。在柱塞缸上下游安装温度变送器和压力变送器以获的流体温度、压力，可对计量柱塞排出的流量进行温度压力修正[8]。

控制系统负责电机动作的执行、电磁阀与流量调节阀的开启/关闭，主要采集阀门开关状态、温度压力变送器、流量计脉冲等信号。

表1是设计柱塞式液体小流量标准装置所依据的主要参数。

表1 柱塞装置主要参数

1.2 装置的原理

装置工作时，电机驱动丝杆组件旋转，带动柱塞沿缸体轴线作匀速直线运动，排出或吸入流体。依据质量守恒定律可知，柱塞被检流量计的示值与柱塞装置的标准示值进行比较，得到流量计的示值误差，也可以计算被检流量计的系数、线性度及重复性等参数，从而达到校准流量计的目的。

2 不确定度评定

2.1 装置数学模型

柱塞式流量标准装置采用“动态位移-时间法”原理，基于流体连续性方程，对容积和时间进行测量，从而得到瞬时体积流量。

qv=S·L·fT1·fT2·fp·(1+α)/t

(1)

其中：

S=πD2/4

(2)

L=pL·f/fL

(3)

fT1=1+βm(Tm-20)

(4)

fT2=1+βL(TL-20)

(5)

(6)

综上得到：

(7)

式中,qv—— 标准装置产生的瞬时体积流量，L/h

S—— 柱塞外截面积，mm2

L—— 柱塞位移，mm

fT1—— 流体温度修正因子

fT2—— 流体压力修正因子

fp—— 丝杆温度修正因子

α—— 泄漏因子

t—— 检定时间，h

D—— 20 ℃时柱塞的直径，mm

pL—— 丝杆螺距，mm

βm，βL—— 柱塞体材质，丝杆材质的体膨胀系数，℃-1

Tm，TL—— 柱塞温度(用缸体内水温代替)和丝杆所处的环境温度，℃

pem—— 柱塞缸内液体的表压力，Pa

E—— 柱塞的弹性模量，Pa

f—— 伺服电机发出与预定行程对应的脉冲数

fL—— 伺服电机每pL发出的脉冲数

2.2 不确定度分量评定

由式(7)分析可得，影响流量测量不确定度的分量有：

(1) 柱塞外径引入的相对标准不确定度ur(D)；

(2) 柱塞材质体膨胀系数引入的相对标准不确定度ur(βm)；

(3) 柱塞温度引入的相对标准不确定度ur(Tm)；

(4) 液体压力引入的相对标准不确定度ur(pem)；

(5) 柱塞材质弹性模量引入的相对标准不确定度ur(E)；

(6) 丝杆螺距精度引入的相对标准不确定度ur(pL)；

(7) 环境温度引入的相对标准不确定度ur(TL)；

(8) 丝杆材质体膨胀系数引入的相对标准不确定度ur(βL)；

(9) 漏失量引入的相对标准不确定度ur(α)；

(10) 测量时间引入的相对标准不确定度ur(t)；

(11) 装置重复性引入的相对标准不确定度ur(V)。

以上11个分量相互独立，各个分量是乘积的形式，qv的相对合成不确定度为[9]：

(8)

(9)

2.3 不确定度合成

综合分析可得，qv的相对合成标准不确定度为：

(10)

取包含因子k=2，扩展不确定度为：

Ur(qv)=2×0.031%=0.062%

(11)

装置流量测量不确定度评定如表2所示。

表2中的数据表明：装置的测量不确定度主要由柱塞直径、装置重复性两个因素引起。根据上述计算可知，本装置的扩展不确定度为0.062%(k=2)，满足“扩展不确定度应优于0.1%”的技术指标要求。

3 结果与分析

3.1 标准容积的校准结果

装置的三维外形如图2所示。

1.电机支架 2.固定环 3.水箱 4.柱塞缸 5.脚轮 6.电气控制柜 7.平台架 8.隐形支架 9.柱塞 10.直线轴承 11.联轴器 12.减速机 13.伺服电机图2 装置实物图

装置加工完成后，以电子天平作为标准器，采用质量法对其标准容积进行校准[10]。校准时，将柱塞按有效行程范围等体积分成5段，液体注入柱塞缸体内，电机驱动装置排出液体，用电子天平称量后，换算成柱塞装置的标准容积。结果如表3所示。

表2 柱塞装置不确定度分析表

表3 容积校准结果

由校准结果可知，装置重复性优于0.012%，根据JJG 209-2010《体积管检定规程》中5.1规定的“体积管的重复性应优于0.02%”，表明装置的重复性良好，符合技术指标[11]。

3.2 稳定性测试结果

流量稳定性是液体流量标准装置性能的关键指标，对流场变化较为敏感的流量仪表在测试分析时尤其要求装置具有良好的稳定性[12]。该装置典型流量点的稳定性测试结果如表4所示。

由测试结果可知，该标准装置能够实现稳定的流量输出，此外，在小流量的条件下，流量稳定性出现了一定程度的下降，初步分析主要原因有：

表4 稳定性测试结果表

(1) 伺服电机低速工况下旋转稳定性有所下降；

(2) 柱塞缸内多个密封元件在低速运动时摩擦阻力增大，且有一定波动。使得柱塞低速运动时平滑性变差，这也是在结构设计和运动控制中所要关注的重要环节。

4 结论

基于主动柱塞式的工作原理，开发了一套不确定度优于0.062%(k=2)的主动柱塞式液体流量标准装置。采用形状规则均匀的柱形柱塞作为运动部件，通过控制柱塞匀速运动等量置换出缸内液体来实现计量功能。测试流量范围为20～2000 L/h,检定介质为水，该装置可以用于小流量水表的检定校准，克服了传统液体流量装置检测周期长、检测结束才能给出标准值的缺点，可实现流量时间法的动态检测，具有高效、高精度的特点。实验结果表明，所研制的装置重复性优于0.02%。