摘要:針對建設(shè)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(tài)質(zhì)量法,1臺150kg的精度電子秤為主標(biāo)準(zhǔn)器。用專用電動換向器,保證換向同步性。設(shè)計基于可編程邏輯控制器(PLC)的控制系統(tǒng),通過對夾表器夾緊力的實時監(jiān)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(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)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(xiàn)場校準(zhǔn)的需求。
0引言
浮子流量計是一種使用簡單、讀數(shù)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(shù)情況下的微小流量測量:工況"。因其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、流量穩(wěn)定、可測低流速介質(zhì)等優(yōu)點明,浮子流量計被廣泛用于電力、石化、化工、冶金、醫(yī)藥.環(huán)境保護、污水處理等領(lǐng)域。
浮子流量計工作介質(zhì)自下而上流動,不能水平安裝。檢定介質(zhì)與刻度介質(zhì)不同時需要進行刻度換算和粘度修正。國內(nèi)各技術(shù)機構(gòu)和企業(yè)現(xiàn)有水流量標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)條件。雖然實驗室檢定可給出儀表在.標(biāo)準(zhǔn)條件下的計量性能,但會因?qū)嶋H使用條件、介質(zhì)的物性參數(shù)甚至介質(zhì)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(xiàn)被檢流量計工況條件下的現(xiàn)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(zhuǎn)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(shù)、多規(guī)格、各種液體工作介質(zhì)浮子流量計的現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)裝置是流量儀表進行檢測完成量值傳遞的重要設(shè)備,是保證流量儀表質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。依據(jù)測量:方法可將流量標(biāo)準(zhǔn)裝置分為靜態(tài)質(zhì)量法、靜態(tài)容積法、動態(tài)質(zhì)量法和動態(tài)容積法。本文設(shè)計的浮子流量計檢定裝置為靜態(tài)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置,流量源恒壓,流量穩(wěn)定,測量精度高。靜態(tài)質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測量原理是將一定時間內(nèi)通過流量計的介質(zhì),經(jīng)由換向器全部導(dǎo)人置于稱量標(biāo)準(zhǔn)器上的容器中,然后測量容器中介質(zhì)的質(zhì)量從而得到流過流量計的介質(zhì)質(zhì)量,再通過測量時間得到質(zhì)量流量。數(shù)學(xué)模型為
式中:Q一累積質(zhì)量流量,kg/s;
qm一-瞬時質(zhì)量流量,kg/s;
m一測:量時間內(nèi)稱量容器內(nèi)的液體質(zhì)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(shè)計
2.1裝置設(shè)計指標(biāo)
浮子流量計被廣泛應(yīng)用于小管徑、低流速測流領(lǐng)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(yīng)的流量范圍和精度等級分別見表1和表2。
根據(jù)常用流量計口徑、精度等級和流量測量范圍進行裝置設(shè)計,具體設(shè)計指標(biāo)見表3。裝置設(shè)計采用測量精度較高的靜態(tài)質(zhì)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(yīng)優(yōu)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(yīng)優(yōu)于0.5%。為保證測量正確率,浮子流量計安裝傾斜角度應(yīng)<2°。為了方便裝置的移動、拆卸和高效組裝,整套裝置高度應(yīng)不超過2m。
2.2裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計
浮子流量計檢定裝置結(jié)構(gòu)設(shè)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(tǒng)和稱量系統(tǒng)(含水流換向系統(tǒng))組成。浮子流量計裝夾表系統(tǒng)中部為工作臺面,臺面一側(cè)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(diào)節(jié)固定。進水管路上依次安裝有快速接頭、開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥和排水閥。裝置上端設(shè)置手動夾表器,實現(xiàn)被檢浮子流量計的安裝與拆卸。稱重系統(tǒng)包括換向器、稱量容器和電子秤。稱重系統(tǒng)下部為工作臺面,同樣安裝水平尺、腳輪和可伸縮支腳,實現(xiàn)被檢浮子流量計與稱重系統(tǒng)的連通。
裝置設(shè)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(shè)計上,采用電動數(shù)控?fù)Q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(xiàn)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(dǎo)向結(jié)構(gòu)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(wěn)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(yán)格。通過水平泡調(diào)節(jié)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(tǒng)設(shè)計
裝置控制部分主要包括夾緊力控制系統(tǒng)、換向器控制系統(tǒng)和稱重控制系統(tǒng)(圖2),獲取電子稱讀數(shù)、控制夾表器、控制換向器動作、控制底閥開關(guān)、脈沖計數(shù)等由計算機完成。在夾緊力控制系統(tǒng)的設(shè)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(dāng)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(tǒng)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(fā)光電信號所產(chǎn)生時間之間的誤差凹本裝置采用步進電機驅(qū)動分水器換向,由PLC發(fā)送脈沖控制電機轉(zhuǎn)速、加速度和轉(zhuǎn)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(qū)動器按照勻加速-定速勻減速的方式發(fā)送脈沖,換向器電機帶著換向器導(dǎo)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(tǒng)中,裝置主標(biāo)準(zhǔn)器精度高電子秤通過485通信模式,將傳感器讀數(shù)傳輸至PLC控制器,實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集。
2.4裝置連接系統(tǒng)設(shè)計
浮子流量計檢定裝置和液體流量裝置連接后的系統(tǒng)示意圖如圖3,組合裝置由儲水系統(tǒng)、水源循環(huán)穩(wěn)壓系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、裝夾表系統(tǒng)、水流換向系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)器和儀表檢定管線系統(tǒng)組成。在水流量裝置管段前后安裝三通閥和預(yù)留旁路,通過控制三通閥實現(xiàn)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(zhuǎn)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(jù)JJG164-2000液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)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(biāo)準(zhǔn)裝置作為動力源,對研發(fā)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(biāo)準(zhǔn)裝置各組成部分中極為關(guān)鍵,在整個裝置不確定度中占有相當(dāng)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(fù)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(jié)果見表4和表5。
依據(jù)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(yīng)優(yōu)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(shù)控?fù)Q向器技術(shù),解決移動裝置在現(xiàn)場應(yīng)用時,由于不具備壓縮空氣,帶來的換向稱.重系統(tǒng)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(zhì)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(xiàn)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(shè)計2個被檢表臺位,每個臺位都有各自的開關(guān)閥和流量調(diào)節(jié)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(jié)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(fù)性誤差,為避免浮子流量計被夾碎設(shè)計了夾緊力報警功能。實驗結(jié)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(xiàn)場檢定需求。
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