某液体微小流量标准装置设计及建立

2022-07-19刘岩

科技创新与应用 2022年21期

刘岩

（国防科技工业4113 二级计量站，河南新乡 453049）

在航空发动机的测试参数中，燃油流量是评定发动机性能的重要指标之一。航空发动机控制系统的模拟实验中，流量测量的准确性对于航空发动机控制系统的控制动态和稳态性及模拟试验的成功和有效性有着至关重要的影响。航空动力控制系统中各种活门的性能测试也越来越多地需要高精度微小流量传感器。目前，国防及民用领域能够开展检定或校准工作的燃油流量标准装置的测量范围均无法满足这些流量计的全量程测量。因此，本项目需求迫切，经济和军事效益显著。初步将装置性能指标定为流量范围（0.02～100）L/min，扩展不确定度0.1%，k=2。

1 装置原理

本装置基本原理结构如图1 所示。主油箱负责存储工作液体，泵组负责提供系统动力，换向系统负责控制工作液体在称重系统和旁路系统之间的快速切换，称重系统负责采集测量时间内流入称重油箱的工作液体的标准质量。同步计时系统由换向系统触发，实现准确的称重时间记录和采集。

图1 装置原理图

标准质量流量：

标准体积流量qv通过换算即可得到

式中：m 为工作液体质量，kg；

t 为检定时间，s；

ρ 为修正后的工作液体密度，kg/m3。

通过比较被校流量计的指示流量q 和标准流量qv，可得出被校流量计的误差，也可以通过公式计算出被校流量计的系数K、线性度等参数，以得到检定校准的结果。

2 装置构成

2.1 微小流量源系统

本项目选用CDL4-8 立式不锈钢多级离心泵，在0.4 MPa 压力环境下其理论流量可达100 L/min。多级离心泵采用立式结构，具有占地面积小、运行平稳、震动小、高效节能、外形美观等特点。泵进出口口径相同且同心对称，方便安装在管道的任何部位。

系统流量的粗调是通过使用变频控制器和调节器调整驱动电机的转速来实现的。主管道设置流量调节阀和微调分流阀，能够精确调节系统流量并最终将系统流量调节到所需的流量。从而连续精确地调节和控制装置的流量。

2.2 精密换向和称重系统

称重换向系统由精密称重系统、微型精密换向系统、多功能计数器、信号同步控制器、光电发生器及称重箱等机构组成。

称重系统选用两套电子天平组成两个称重台位以适应本设备较宽的流量范围，具体性能指标见表1。

由表1 可知所选两台电子天平可以满足装置（0.02～100）L/min 流量范围的设计需求。

表1 电子天平详细参数

6 200 g 称重油箱在进行了多次实验比较后，采用了塑料轻质容器，极大地减少了皮重和附加质量，采用电动的方式放油；40 kg 称重油箱采用定制的特殊结构的超薄不锈钢水箱，采用气动的方式放油。

换向系统采用一DN15 气动闭式换向器和一DN5开式换向器，实现液体的快速精准换向。大台位使用闭式换向器可以有效避免大流量时液体的飞溅，小台位使用开式换向器换向时间短、行程时间差短可以减少在微小流量时所引入的误差。利用我站已掌握的换向调节的专利技术，能够实现换向时间和换向精度的精准调节，提高换向系统和整个台位的精度。换向计时信号采用电磁阀控制信号同时触发，能有效保障换向系统的精准和同步。

2.3 流量计串接式夹装台

流量计在安装使用时一般都有前后直管段的要求，故在计量检定时我们满足这些条件，本项目在DN15 手动夹表器的基础上设计一串接式夹装系统在满足流量计检定要求的基础上，使用合理的布局，便捷的安装方式，实现多块流量计串接，可同时检定最多四块同口径流量计，大大增加实验效率。

2.4 测控系统

测控系统为上、下位机两层结构。上位机采用PC工控机，数据处理、文件管理、结果的记录和打印等功能；下位机由数据采集模块、I/O 通讯模块和逻辑控制模块构成，用于各种信号的接收，与PC 工控机采用RS232 通讯进行数据交换和功能控制。

装置软件具有状态监控、设置参数、控制校准、处理数据及管理文档等功能。装置软件的工作流程如图2 所示，首先选择计量检定规程，在对流量计或流量仪表的检定、校准工作后，遵照规程进行相应的数据处理，最后生成原始记录存档并打印证书。

图2 软件流程示意图

系统测控系统软件由VC++平台开发，可以实现计算机自动控制、数据采集处理和报表打印。整个系统的工作情况直观地显示在一个界面上，系统运行稳定，可靠性强，满足系统需求，使用方便的同时具有很好的可移植性，能够在同类装置中推广。

3 不确定度分析

3.1 数学模型

质量法装置累积质量流量为

式中：Qm为质量流量的累积量，kg；

m 为液体在测量时间内进入称量容器内质量，kg；

Cf为空气浮力的修正系数。

式中：ρa为空气密度，kg/m3；

ρm为检定时衡器的标准砝码密度，kg/m3；

ρ 为检定时液体密度，kg/m3（修正后）。

质量法装置瞬时质量流量为

式中：qm为瞬时质量流量，kg/s；

t 为测量时间，s；

质量流量与体积流量的换算关系为

3.2 装置的不确定度评定

参考国家计量检定规程JJG 164—2000《液体流量标准装置》的有关规定，该装置不确定度由以下几个分量组成。

3.2.1 计时器引入的不确定度

将计时器和标准计时器连接，同步二者计时的启、停信号。检定的时间间隔取装置使用的最短测量时间tmin（s），启、停计时器，分别读取计时器值ti（s）和标准计时器值t0i（s），即为1 次检定过程。共需重复n（n≥10）次检定。

第i 次差值：△ti=ti-t0i。

A 类相对标准不确定度：

B 类相对标准不确定度：

具体数据见表2。

表2 计时器检定数据

A 类相对标准不确定度：s1=0.0035%，

B 类相对标准不确定度：u1=0.0015%。

3.2.2 衡器引入的不确定度

由于称重系统测试不受介质温度、压力及流量等因素影响，因此称重系统测试在设备相对静止状态下进行。在每个称重台位的量程范围内均匀分布10 个检定点，用标准砝码从j=1 逐步加载到j=10 为第一次检定，再从j=10 逐步卸载到j=1 为第二次检定。记录加载的标准砝码质量、卸载的标准砝码质量、电子秤的读数Rm以及空载时电子秤读数的平均值R0，分别计算出各测试点的不确定度。

A 类相对标准不确定度为