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    引言

    近年來，隨著科學技術的進步，流量測量技術得到了高速的發展，與之相應的流量校準技術也愈來愈被國內外專家學者和有關部門重視。

    傳統的液體流量校準方法有兩類：其一是容積（時間）法；其二是質量（時間）法。其中，容積法又分為靜態容積法和動態容積法，質量法又分為靜態質量法和動態質量法。這四種方法雖在一定范圍內能滿足流量校準的要求，但由于技術發展水平的限制，卻存在不少明顯的缺點，這些缺點主要是：

    (1) 裝置體積相對龐大，占用工作面積大，需要工作介質多。

    (2) 不同程度的開放型，是工作介質容易揮發、蒸發和被污染等，既影響校準準確度，又使更換介質的周期縮短。

    (3) 由于受本身結構的限制，總準確度很難再提高。

    (4) 用計算機控制比較困難。

    九十年代初，美國推出了一種新型的液體流量校準裝置，它基本上克服了上述傳統方法的四個主要缺點。該裝置采用“動態位移――時間法”測量原理，其基本測量方法是基于容積和時間的測量，但又完全不同于上述的靜態容積法和動態容積法。我們用了三年左右的時間按該原理研制成功了一套滑油流量校準裝置，其主要技術指標達到并超過了美國該裝置的技術指標。

    1、裝置工作原理

圖1 裝置原理圖

    裝置工作原理如下：

    電機勻速拖動活塞把油從油缸中排出并通過被校流量計。如果在時間間隔t內活塞移動所排出的油的容積為V，則實際（標準）流量qs為：

    把qs與被校流量計相應的指示流量q相比較，即可確定被校流量計的誤差，從而達到校準流量計的目的。

    圖1中球柵尺用來測量活塞的位移量。電機控制單元用來接受計算機指令，對電機轉速進行控制。P1、P2和T1、T2分別為兩支壓力和兩支溫度傳感器，其中P1和T1用來測量油缸出口的油壓和油溫，P2和T2用來測量被校流量計處的油壓和油溫，這四個量用來進行標準容積的壓力和溫度修正。由微機控制整個系統，并對測量值進行分析計算，最后輸出校準結果。

    圖1中的活塞油缸結構在形式上與活塞式體積管相似，但它們之間存在著本質上的不同，具體如下：

    a. 位移――時間法裝置校準瞬時流量，活塞式體積管是校準累積流量。

    b. 由式（1）可知：

    式（2）中l為位移量，A為油缸的環形內截面積。由于油缸的加工保證了A為常數，故V的測量轉化為l的測量。位移――時間法裝置是動態位移測量，而活塞式體積管是靜態位移測量。

    c. 位移――時間法裝置要求活塞運動是勻速的，而活塞式體積管不要求運動是勻速的，甚至走走停停都行。

    2、校準裝置的設計

    2.1 主要設計技術指標

    流量范圍：（0.1-10）m3/h

    裝置不確定度：0.05%

    裝置流量確定性：0.02%

    溫度范圍：室溫-150℃

    2.2 機械主體系統設計

    活塞油缸系統是校準裝置主體系統的核心。設計中主要考慮下述四點：

    (1) 按裝置總不確定度的要求計算分配給油缸與活塞桿的加工準確度要求，即平行度和橢圓度要求。

    (2) 活塞、油缸、導軌、電機軸等之間的配合準確度要求。

    (3) 設計時要充分考慮裝配時的便于調整。

    (4) 活塞運動過程中的密封性保障。

    2.3 硬件設計

    系統測控部分硬件結構分為三個模塊：數據采集模塊、I/O通訊模塊、技術和邏輯控制模塊。這三個模塊均采用微機PC總線形式。具體結構如下：

圖2 系統測控部分硬件結構圖

    2.4 軟件設計

    系統軟件主要包括參數設置、狀態測量、溫度控制、校準控制、數據處理及文檔管理部分，具體如下：

圖3 系統軟件結構圖

    2.5 溫度系統設計

    按照裝置總不確定度和溫度范圍的要求，估算確定對溫度控制和溫度測量準確度的要求以及整個系統各部分溫度梯度的要求。

    3、研制達到的水平

    裝置研制成功后，經過一年左右的運轉、測試、實驗和修改，并經以中國計量科學研究院為首的測試組的測試，在總不確定度和流量穩定性兩項主要技術指標上達到了原設計指標，即九十年代美國的世界領先水平的指標；在溫度范圍方面(最高150℃)超過了美國的水平(最高66℃)；并通過了總公司級鑒定，評價為：國內領先，國際先進。                                  

    4、裝置的創新與特點

    4.1 由前述原理部分可知，裝置標準流量的獲得關鍵取決于動態位移了l的測量。位移測量通常的方法是用光柵，我們沒有采用光柵，而采用了有一定風險的英國專利技術球柵尺。它與光柵相比，具有抗振動干擾性強，抗污染性強，長期可靠性好，便于維護等優點。我們克服了硬件和軟件方面的雙重困難，使球柵尺這項新技術在我國流量校難裝置上首次應用成功。

    4.2 該裝置在校準具有脈沖輸出的流量計方面(如最常用的渦輪流量計)，首次成功地應用了ISO7278／3脈沖插入技術(通常稱為雙時間測量法)。該方法采用了兩個計時器，可以測出流量計脈沖的小數值，從而大大提高了校準分辨率和校準的準確度。采用國際標準的成功，一方面便于和國際接軌，另一方面也便于與國際上進行標準比對。

    4.3 該裝置可在室溫一150℃的大溫度范圍內的任一溫度下，對流量計進行校準，這一點在流量校準領域具有極大的理論和實踐意義，具體詮釋如下：

    我們知道，流量測量的液體介質(如油類、化工類)有上千種之多，常用的也不下一百種，所以不可能每種液體介質都建一套流量校準裝置，只能建立部分必需的液體流量校準裝置，而且由于裝置復雜，清洗困難，液體介質問互不相容，經濟代價太大等原因，國內外皆不主張也沒采用更換介質的辦法對使用于不同介質的流量計進行校準，因此對多數液體介質所使用的流量計，只能用與其使用介質不同的介質進行校準，這樣就產生了流量計在校準介質與使用介質不同時其儀表系數K的修正問題。對同一支渦輪流量計來說，介質不同影響其儀表系數K的主要因素是介質的粘度(v)和密度(ρ)，而更主要的是粘度。校準介質與使用介質不同對渦輪流量計的儀表系數K的修正問題，是一個復雜的實驗和理論問題，是目前國內外流量測量領域的不少專家學者正在致力研究的問題，問題的圓滿解決還相差很遠。

    我們研制的裝置以它具有大范圍變溫校準的特點，為上述修正問題的解決提供了一個非常重要的實驗條件。

    該裝置的重要用途舉例如下：

    (1) 用該裝置和《變溫模擬校準法》研究粘度(v)對渦輪流量計儀表系數K的影響。

    如上述，v和ρ對K造成主要影響，應使ρ相對固定，即要求校淮介質和使用介質偽ρ比較接近。我們裝置用的介質4050號滑油，密度近于1(與水接近)  粘度很大(20℃時為58cst)，這樣就可以選一支性能穩定的渦輪流量計，先用水在室溫下校出K值(．水v：1cst)  然后在我們的裝置上，用通過改變溫度從而改變4050號滑油粘度(v)的方法在不同的粘度下校出K值，即可得出v對K的具體影響。

    (2) 用該裝置和《變溫模擬校準法》研究密度(ρ)對渦輪流量計儀表系數K的影響。

    研究ρ對K的影響，要相對固定v值。選一支性能穩定的渦輪流量計，用中國計量科學研究院的變壓器油流量校難裝置在室溫(自然溫度，不能變溫)下校出K值，如在室溫26℃下(這時變壓器油的v＝21cst，ρ≈0．86)校出K值，然后在我們的滑油裝置上；在滑油粘度為21cst下進行校準（這時滑油的溫度應升到45℃，因滑油的粘度――溫度曲線已知，滑油ρ≈0.97），得出K值。這樣既可對得到粘度相同、密度不同對流量計儀表系數K的影響。

    (3) 該裝置的進一步應用，還可用來研究并更令人滿意地解決粘度對渦輪流量計性能的影響，即瓊斯（Jones）近年來提出的《通用粘度曲線法》，該方法優于傳統的K系數試驗和理論分析方法。

    4.4 該裝置準確度高，結構緊湊，體積小（占地面積小，相當于傳統裝置的1/5），技術含量高，而且是封閉運行，安全可靠。

    5、裝置的推廣應用價值

    由于下述兩方面的分析，該裝置在我國極具推廣價值：

    (1) 該裝置的全部關鍵技術，包括活塞油缸系統的加工研制、電機穩速系統、動態位移測量系統、ISO7278/3的實施技術、溫度控制系統等，全部由國內我們自行突破，不會在關鍵技術上依賴或受控于國外。

    (2) 該裝置的原理原則上適用于所有液體流量校準裝置，特別適用于各種油和高粘度液體的流量校準裝置；裝置主體系統加工安裝好后，裝什么介質，就是什么介質的流量校準裝置，不會因為介質的不同而影響裝置的總不確定度。

    參考文獻

    [1] 《滑油渦輪流量計校準裝置》技術研究報告。張寶珠，1997

    [2] Determination of Turbine Meter Usable Turndown, Paul D. Olivier, Flow Dynamics, Ins (P739~745,1995)

    [3] Effect of Kinematic Viscosity on Performance of Turbine Flowmeters―Solution to the Problem, Frank E. Jones, Independent Consultant (P379~389,1995)