活塞式体积管在检定质量流量计中的应用

【摘要】作为容积式的流量标准装置，活塞式体积管在检定质量流量计时受操作难度、运行中产生的气泡和密度测量的方式等影响，在实际中应用较少。本文主要介绍了以水温测量密度和以双计时脉冲插值技术测量体积来检定质量流量计的新方法，并对日常应用中出现的问题进行了分析，提出了改进的方案。

【关键词】活塞式体积管；双计时脉冲插值技术；质量流量计；检定

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.01.018

Application of Piston Type Volumetric Tube in Calibrating Mass Flowmeter

LI Jian

（Huludao Inspection and Testing Center，Huludao 125100，China）

Abstract：As a volumetric flow standard device，the piston-type volumetric tube is rarely used in practice due to the difficulty of operation，air bubbles generated during operation，and the method of density measurement when calibrating a mass flowmeter. This paper mainly introduces a new method for calibrating mass flowmeters by measuring density by water temperature and by measuring volume by double timing pulse interpolation technique，and analyze the problems in daily application，and put forward the improvement plan.

Key words：piston volume tube；double timing pulse interpolation technology；mass flow meter；verification

近幾年，锦西石化分公司在物料计量方面采取了以质量为基本量的计量体系，在MES系统应用了大批质量流量计，因此质量流量计的检定工作受到各有关部门的关注。为解决质量流量计检定需求，我们结合锦西石化流量检定装置的实际情况，在原有基础上对体积管法质量流量计检定装置进行升级改造。经过三年多的运行检验证明，以水温测量密度和以双计时脉冲插值技术测量体积的体积管法液体流量标准装置检定质量流量计时具有体积小、检定速度快等优点。

1体积管标准装置的主要设备功能

在JJG 1038—2008《科里奥利质量流量计》检定规程里，质量流量计标准装置有质量法液体流量标准装置、容积法液体流量标准装置和体积管法液体流量标准装置。通用的检定办法有静态称量法、静态容积加密度计法、标准体积管加密度计法和标准表比较法。我们采用的标准装置是体积管法液体流量标准装置，采用的检定方法是标准体积管加密度法，现将该标准装置的主要设备功能逐一进行阐述。

1.1流量工作标准（包括主标准和副标准）

装置主标准器为美国艾默生公司生产的P18系列丹尼尔活塞式体积管，该体积管是直径为18 inch，排量为120 L的单一材质加工的高精度计量管（计量管上无任何焊点，可以完全保证高精度的温压补偿），可以在各种工况下满足多种流量计型号的标定要求。体积管的活塞提升机构为先进的液压系统，可以平稳的控制活塞；无撞击动作，可以防止在危险场所产生爆炸。体积管带有引流管，附带的温度和压力变送器安装在引流管上，最大限度地保证检定定时的良好流态。

本装置主流量工作标准的原理是，当流体稳定地流经被检流量计和体积管时，通过位移器从两个检测开关间的计量段所置换出的流体体积测出体积，然后用温度传感器测出水温，再按照PTB-1968公式计算得到相应的密度。本装置的副流量工作标准是电磁流量计，通过电磁流量计测定体积，用温度传感器测出水温，再按照PTB-1968公式计算得到相应的密度。

上述两个工作标准都通过同步采集得到相应量值，输入计算机指定检定系统。计算机按照检定规程要求进行数据处理，并直接输出被测质量流量计在该流量点的相对误差Ei及重复性s（Er）。

1.2数据采集控制器

数据采集控制系统采集检定过程中的数据，自动输入到微机进行计算处理。微机系统配备相应的检定软件，按照国家计量检定规程的要求进行数据处理。

1.3体积管的的技术指标

流量范围：0.794～794 m3/h；扩展不确定度：U=0.05%，k= 2；工作压力：5.0 MPa；介质黏度：0.5～50 cP；标准体积：120 L（30加仑）；计量管材质和活塞材质：17-4PH不锈钢；检定介质：水。

1.4水标组件

体积管配置的水标组件包括：管线、连接阀门、压力表、温度计等，在水标入口和出口的水标管路上和球阀上要安装精密压力表，精度等级优于0.25级。在水标入口管路的阀前加装1"NPT的短接和活接头。在水标管路入口、出口安装精度为二等标准温度计，测量范围为0～50℃，分度值0.1℃。作为体积管的溯源器具，选用带检定合格证书的120 L容量的二等标准金属量罐。

1.5电磁流量计的技术指标

精度等级为0.2级，测量口径为DN50、DN100和DN150。

1.6气体吹扫设施

在对被检流量计检定前，先利用气体吹扫设施对被检流量计进行吹扫，将流量计内的介质扫出，以避免流量计内残留介质对检定介质水造成污染，影响密度的测量。检定结束后，利用该设施将被检流量計内的水吹出。

1.7消气设施

本标准装置的消气设施主要由1座15 m3的稳压罐、1座消气过滤器和1套汇流管组成，将检定过程中产生的气泡尽量消除掉，确保体积管体积测量的精度，提高测量重复性。

2关键的技术

2.1采用双计时脉冲插值（DCPI）技术，实现小数脉冲的计算

计算机安装高频主振荡器，高频主振荡器以0.000001秒的精度计时，控制两个计数器，分别称为“计时器A”和“计时器B”。“计时器A”在标志通过第一个检测开关时开始计数。“计时器B”在“计时器A”开始后的第一个流量计脉冲的前沿到达时开始计数。当标志通过最后一个检测开关时，“计时器 A”停止。在“计时器A”停止后，“计时器B”第一个流量计脉冲的前沿到达时停止（见图1）。使用“计时器A”和“计时器B”的比值能够在万分之一精度范围内对流量计脉冲数目精确计数。

3体积管标准装置对质量流量计进行检定

体积管标准装置通过计量标准考核后，根据JJG 1038—2008《科里奥利质量流量计》，利用该装置对送检的质量流量计进行检定，通过三年多的运行，装置的稳定性和可靠性得到验证，现对体积管标准装置检定质量流量计总结了以下几个要点。

3.1流量计的安装

流量计的整个安装过程中“无应力”至关重要。流量计检定必须严格按照流量计的说明书进行安装，避免或减少因安装因素造成的应力，以保证传感器正常工作。当流量计安装完毕后将接地线与流量计表体相连。

3.2流量计参数的设置

连接好装置、配套仪器及流量计的电路，通电预热30 min，借助手操器检查流量计参数的设置（流量计因子或K系数、最大流量、最大流量对应的频率或电流），流量计因子或K系数应与前次检定证书的值相同。流量计若有多种输出信号，应首先选用脉冲输出进行检定，若对参数进行修改，必须对修改前后的参数进行记录。

3.3流量计的调零

流量计在最大检定流量的50%以上运行不少于10 min，然后按使用说明书的要求进行零点调整。

3.4流量计检定点的选择和检定次数的控制

按照规程的要求，流量计的检定点依次为qmax、0.5qmax、0.2qmax、qmin和qmax。在检定过程中，每个流量点的每次实际检定流量与设定流量的偏差不超过设定流量的±5%；每个流量点的检定次数不少于3次；型式评价的流量计，每个流量点的检定次数不少于6次。

3.5检定过程中的压力控制及体积管氮气压力的控制

3.6管道系统的排气

在整个装置中，一共有四个排气部位，由于体积管的重复性易受检定介质内所含气体的影响，因此在每个检定点检定前必须进行排气操作。

3.7示值误差及重复性检定

当以上工作完成后，启动流量计自动检定系统中的误差及重复性检定程序，依照规程中规定的检定点依次进行检定。依照规程对每点的误差及重复性进行自动计算，自动判别流量计的误差及重复性是否符合规程要求。若流量计误差超差，可以根据以下两个公式中的任何一个进行流量系数的计算和调整。调整后的流量计依据规程的检定点重新检定。

4体积管标准装置在日常检定中的技术改进

4.1改造了体积管流量控制回路

原有设计是在体积管的出口主管线（DN200）上安装了一个手动调节阀进行调节，但是该调节阀在实际使用过程中存在费时费力、调节细度不够、检定数据重复性严重超差等问题。于是我们在体积管的出口安装1条DN50的旁路，并且将原有手动阀换成气动阀，利用主回路粗调旁路细调，严格控制体积管内的压力，提高了检定数据的重复性。同一台DN80的质量流量计在100 t/h点的重复性由0.32%降到0.03%。

4.2改造了工艺流程，增加了汇流管

原有设计开始检定时流量计的误差总是比实际的误差小0.3%左右，经过多方分析，我们在被检流量计前安装了汇流管，将3个台位汇流在一起。增加汇流管后，该检定装置检定的质量流量计与辽宁省计量科学研究院检定的数据比对结果满足要求。此外，我们还对水质的保持进行了相应的改造，让流量计在检定前都进行吹扫和清洗。

总之，经过三年多的运行，活塞式体积管在检定质量流量计过程中安全、快速、完全被动式检定等优点得到了充分的体现。活塞式体积管检定质量流量计的量值传递方式稳定可靠，都可溯源到国家相关计量基准。

【参考文献】

[1]计量标准考核规范：JJF 1033—2008[S].

[2]科里奥利质量流量计：JJG 1038—2008[S].

[3]潘丕武.石油计量技术[M].北京：中国计量出版社，2009.

【作者简介】

李剑，男，1979年出生，高级工程师，研究方向为计量检定与校准。

（编辑：李加鹏）