摘要:針對建設專用裝置檢定浮子流量計,場地占用大且無法滿足實流檢定的問題,一種流量范圍為0.006~16m3/h的可移動浮子流量計檢定裝置。裝置原理為靜態質量法,1臺150kg的精度電子秤為主標準器。用專用電動換向器,保證換向同步性。設計基于可編程邏輯控制器(PLC)的控制系統,通過對夾表器夾緊力的實時監測,大幅度降低被測浮子流量計玻璃管在安裝過程中損壞的可能性。采用液體流量標準裝置檢定規程中的方法對整套裝置進行實驗及不確定度評定,得到其擴展不確定度為0.25%(k=2)。裝置具有方便移動、可拆卸、可快速組合的特點,能夠滿足精度等級1.0級及以下浮子流量計實驗室或現場校準的需求。
0引言
浮子流量計是一種使用簡單、讀數方便的瞬時體積流量測量儀表,適用于低流速液體流量特別是低雷諾數情況下的微小流量測量:工況"。因其結構簡單、工作可靠、流量穩定、可測低流速介質等優點明,浮子流量計被廣泛用于電力、石化、化工、冶金、醫藥.環境保護、污水處理等領域。
浮子流量計工作介質自下而上流動,不能水平安裝。檢定介質與刻度介質不同時需要進行刻度換算和粘度修正。國內各技術機構和企業現有水流量標準裝置無法檢測浮子流量計,需建立專用檢定裝置,場地占用大且功能單一。另外,實驗室對浮子流量計的檢定通常在水流量裝置上進行,無法模擬出實際介質條件。雖然實驗室檢定可給出儀表在.標準條件下的計量性能,但會因實際使用條件、介質的物性參數甚至介質本身的變化而帶來附加誤差。因此,研究可移動檢定裝置,實現被檢流量計工況條件下的現場計量,對浮子流量計的檢測具有重要意義。
本文建立了一套可移動、可與各種液體流量裝置高效組合的浮子流量計檢定裝置,能夠快速將水平流場轉換為適于浮子流量計檢定的垂直流場,很好的滿足了多參數、多規格、各種液體工作介質浮子流量計的現場和實驗室檢測需求。
1浮子流量計檢定裝置測量原理
流量標準裝置是流量儀表進行檢測完成量值傳遞的重要設備,是保證流量儀表質量的關鍵環節。依據測量:方法可將流量標準裝置分為靜態質量法、靜態容積法、動態質量法和動態容積法。本文設計的浮子流量計檢定裝置為靜態質量標準裝置,流量源恒壓,流量穩定,測量精度高。靜態質量法流量標準裝置測量原理是將一定時間內通過流量計的介質,經由換向器全部導人置于稱量標準器上的容器中,然后測量容器中介質的質量從而得到流過流量計的介質質量,再通過測量時間得到質量流量。數學模型為
式中:Q一累積質量流量,kg/s;
qm一-瞬時質量流量,kg/s;
m一測:量時間內稱量容器內的液體質量示值,kg,
t,t1,t2一測量時間,s。
2浮子流量計檢定裝置方案設計
2.1裝置設計指標
浮子流量計被廣泛應用于小管徑、低流速測流領域。以液體為例,口徑10mm以下玻璃管浮子流量計滿度流量的名義管徑,流速只在0.2~0.6m/s之間,甚至低于0.1m/s8。常用浮子流量計口徑為DN15~DN50,對應的流量范圍和精度等級分別見表1和表2。
根據常用流量計口徑、精度等級和流量測量范圍進行裝置設計,具體設計指標見表3。裝置設計采用測量精度較高的靜態質量法,流量范圍0.006~16m2/h,滿足常用口徑DN15~DN50液體浮子流量計檢定需求。浮子流量計檢定裝置的擴展不確定度應優于被檢流量計最大允許誤差的1/2凹最高精度等級浮子流量計為1.0級(表2),因此組合裝置的擴展不確定度應優于0.5%。為保證測量正確率,浮子流量計安裝傾斜角度應<2°。為了方便裝置的移動、拆卸和高效組裝,整套裝置高度應不超過2m。
2.2裝置結構設計
浮子流量計檢定裝置結構設計如圖1,其主體為2個長方體框架,由浮子流量計裝夾表系統和稱量系統(含水流換向系統)組成。浮子流量計裝夾表系統中部為工作臺面,臺面一側安裝有水平尺,框架底部安裝有4個腳輪和4條可伸縮支腳便于裝置的移動和調節固定。進水管路上依次安裝有快速接頭、開關閥、調節閥和排水閥。裝置上端設置手動夾表器,實現被檢浮子流量計的安裝與拆卸。稱重系統包括換向器、稱量容器和電子秤。稱重系統下部為工作臺面,同樣安裝水平尺、腳輪和可伸縮支腳,實現被檢浮子流量計與稱重系統的連通。
裝置設置2個檢定臺位,DN25以下包括DN15、DN20和DN25為一~條管線,另一個為DN32、DN40和DN50浮子流量計檢定臺位。采用變換管段的方式,在有限的2個工作臺位上覆蓋了DN15~DN50所有管徑浮子流量計的檢定能力。一個臺位工作的同時可在另一個臺位安裝被檢表,可有效提高檢定效率。
機械設計上,采用電動數控換向器和夾表器超限報警,提高檢測過程的自動化和智能化程度。首先,電動換向器控制精度高,且在現場不具備壓縮空氣的情況下仍可使用。其次,在夾裝過程中,浮子流量計尤其是無導向結構流量計的玻璃管極易被氣動夾表器夾碎,采用帶有夾緊力超限報警功能的手動夾表器可以有效解決這個問題。再次,浮子流量計的正確檢測需要垂直穩定流場,對進、出口管道同軸度和工作臺面的垂直度要求比較嚴格。通過水平泡調節工作臺面的水平度,可保證被檢流量計的傾斜度小于2°。
2..3裝置控制系統設計
裝置控制部分主要包括夾緊力控制系統、換向器控制系統和稱重控制系統(圖2),獲取電子稱讀數、控制夾表器、控制換向器動作、控制底閥開關、脈沖計數等由計算機完成。在夾緊力控制系統的設計,上,考慮到被檢浮子流量計容易損壞,在每個夾表器.上安裝夾緊力傳感器(夾緊力測試儀1和夾緊力測試儀2)。當夾緊力過大時,由計算機進行夾緊力超限報警,提示操作人員停止夾緊動作;換向器控制系統中,換向器是液體流量裝置的重要組成部分,其不確定度大小對裝置整體合成不確定度有較大影響1011)影響換向器精度的主要因素是實際注水時間和觸發光電信號所產生時間之間的誤差凹本裝置采用步進電機驅動分水器換向,由PLC發送脈沖控制電機轉速、加速度和轉動角度。通過PLC的高速脈沖輸出通道,向換向器的步進電機驅動器按照勻加速-定速勻減速的方式發送脈沖,換向器電機帶著換向器導流體進行加速-勻速-減速的運行。控制換向器運動,保證裝置不確定度水平;稱重控制系統中,裝置主標準器精度高電子秤通過485通信模式,將傳感器讀數傳輸至PLC控制器,實現實時數據采集。
2.4裝置連接系統設計
浮子流量計檢定裝置和液體流量裝置連接后的系統示意圖如圖3,組合裝置由儲水系統、水源循環穩壓系統、變頻調速系統、裝夾表系統、水流換向系統、計算機控制系統、標準器和儀表檢定管線系統組成。在水流量裝置管段前后安裝三通閥和預留旁路,通過控制三通閥實現水流在試驗管路和旁路之間的切換,三通閥的一端分別通過軟管與可移動浮子流量計檢定裝置的人、出口相連,形成浮子流量計檢定回路。浮子流量計檢定裝置和液體流量裝置連接成高效組合裝置,將水平流場轉換成適合浮子流量計檢定的垂直流場。
3浮子流量計檢定裝置的不確定度分析
依據JJG164-2000液體流量標準裝置檢定規程對浮子流量計檢定裝置進行不確定度評定叫。不確定度分量主要包括計時器、電子秤和換向器。利用北京計量院水流量標準裝置作為動力源,對研發的浮子流量計檢定裝置進行不確定度評定。換向器在水流量標準裝置各組成部分中極為關鍵,在整個裝置不確定度中占有相當比重,是整個裝置不確定度的主要來源,本文采用行程差法對換向器換人/換出重復性誤差進行測量。浮子流量計檢定裝置各不確定度分量評定結果見表4和表5。
依據JJG164-2000,浮子流量計檢定裝置的合成不確定度u=0.1095%,裝置的擴展不確定度
U=k·u=2.23x0.1095%=0.2441%~0.25%(k-=2.23)。
1.0級為浮子流量計的最高精度等級,浮子流量計檢定裝置的擴展不確定度應優于被檢流量計最大允許誤差的1/2日。組合裝置擴展不確定度0.25%,滿足最高等級浮子流量檢定要求。
4解決的問題
本文解決的問題包括:
1)采用電動數控換向器技術,解決移動裝置在現場應用時,由于不具備壓縮空氣,帶來的換向稱.重系統無法使用的問題。
2)采用帶有夾緊力超限報警功能的手動夾表器,解決玻璃管浮子流量計夾裝過程中,容易被夾表器損壞的問題
3)解決了多種工作介質浮子流量計的檢測問.題本裝置可與各種裝置包括水流量、油流量、高黏液體流量等連通,實現各種浮子流量計包括玻璃浮子流量計、金屬浮子流量計和塑料浮子流量計等.的在線檢測,無需刻度換算和粘度修正。
4)提高了檢測效率。裝置設計2個被檢表臺位,每個臺位都有各自的開關閥和流量調節閥。相.互獨立、互不影響,在檢測一臺流量計的同時可以更換另一臺位的被檢表。
5結束語
一種可移動拆卸方便、可快速組合的浮子流量計檢定裝置,為保證測量精度采用電動換向器減少換人/換出行程差和重復性誤差,為避免浮子流量計被夾碎設計了夾緊力報警功能。實驗結果表明,組合裝置的不確定度(U=0.25%,k=2.23)可有效滿足DN15~DN50,流量范圍0.006~16m3/h浮子流量計的實驗室和現場檢定需求。
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