基于質(zhì)量流量計(jì)的檢定裝置設(shè)計(jì)與研制

介紹一套質(zhì)量流量計(jì)檢定裝置。文中對(duì)該裝置的總體設(shè)計(jì)構(gòu)成，檢定方法及工作原理等進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該裝置檢定范圍為1～3000kg，系統(tǒng)不確定度達(dá)到萬(wàn)分之三，符合國(guó)家規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量流量計(jì);標(biāo)準(zhǔn)裝置;檢定;設(shè)計(jì)

Application and Research of Device about Tested Mass Flowmeter

ZHU Yuhua1, LIU Jingfeng2, LI Xiaochun2

1.Engineering College, Shenyang University of Technologye,

Li aoyang 111003, China;

2.Fushun Petroleum Factory, Fushun 113004, China)

Key words: mass flowmeter; standard device; test; design

1質(zhì)量流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量范圍設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)為：

　　(1)裝置的準(zhǔn)確度：對(duì)于DN25(15) 50(40) 100(80)實(shí)驗(yàn)段優(yōu)于±0.05%。

　　(2)各實(shí)驗(yàn)段流量流速：最高流速達(dá)到7m/s，每實(shí)驗(yàn)段的流量范圍度為1∶20。

　　(3)稱(chēng)量時(shí)間：在按靜態(tài)質(zhì)量法原理工作時(shí)，稱(chēng)量容量容積的設(shè)計(jì)應(yīng)保證在各實(shí)驗(yàn)段的最大流量時(shí)，稱(chēng)量時(shí)間不小于40s;為減少在最小流量下的稱(chēng)量時(shí)間，稱(chēng)量容器可在50%最大稱(chēng)量下使用，此時(shí)電子稱(chēng)量系統(tǒng)仍能保證最高精度。

　　(4)稱(chēng)量容量容積：為保證40s的稱(chēng)量時(shí)間，各容量容積分別為T(mén)K1 500m3、TK2 3000m3。

裝置主要有流源系統(tǒng)、秤量系統(tǒng)、稱(chēng)量容器、換向裝置、質(zhì)量流量計(jì)等主要設(shè)備組成。

2.1流源系統(tǒng)

流源系統(tǒng)由水泵、水池、真空罐、過(guò)濾除氣器、閥門(mén)管件及變頻調(diào)速電力控制等組成，本裝置主要用于標(biāo)定科里奧利式質(zhì)量流量計(jì)，采用變頻調(diào)速穩(wěn)壓法及流量調(diào)節(jié)結(jié)合式，以產(chǎn)生穩(wěn)定的流源。由于工業(yè)管道中，介質(zhì)流速一般在1～5m/s之間，而且質(zhì)量流量計(jì)流通能力大，范圍寬(一般可達(dá)10∶1，甚至可達(dá)30∶1)，因此選取7m/s為管道最大流速，以適應(yīng)檢定質(zhì)量流量計(jì)的要求。水池容積選擇為12m×4.5m×1.8m=97.2m2。水池全長(zhǎng)12m，回水順?biāo)髡純深^，中間有隔墻設(shè)計(jì)。由于該裝置建設(shè)地點(diǎn)地勢(shì)較洼，地下水位高，因此從防水，防潮出發(fā)，把3臺(tái)機(jī)泵設(shè)置在地面上，并設(shè)計(jì)了3個(gè)不銹鋼真空罐，保證了水泵正常工作。同時(shí)在流體進(jìn)入檢定路線前，加過(guò)濾除氣器，使流體在連續(xù)的過(guò)程中，保持水質(zhì)清潔和除去流體中的氣體。

2.2秤量系統(tǒng)(電子秤)

電子秤是檢定裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其靈敏度、精確度、重復(fù)性、可靠性決定標(biāo)準(zhǔn)裝置的精度。我們選用德國(guó)進(jìn)口(整體)梅特勒托利多多量程、萬(wàn)分之二精度的電子秤，作為流量檢定的標(biāo)準(zhǔn)器具。

2.3稱(chēng)量容器

共有2臺(tái)不同容積的稱(chēng)量容器：一臺(tái)500m3：另一臺(tái)3000m3，均采用不銹鋼制造，并配備氣動(dòng)球閥，氣/電轉(zhuǎn)換采用軟連接，容器平穩(wěn)的安裝在電子秤臺(tái)上。

2.4換向裝置

換向裝置由換向器、行程開(kāi)關(guān)和電磁閥組成。它用來(lái)改變液流的流向，使流體流向稱(chēng)量容器或流向旁路。該裝置通過(guò)與之聯(lián)結(jié)的行程開(kāi)關(guān)反饋一個(gè)信號(hào)進(jìn)行切換，同時(shí)控制計(jì)數(shù)器和計(jì)算機(jī)使其開(kāi)始或停止計(jì)量，所以換向裝置是整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)裝置中影響精度最直接最關(guān)鍵部件之一，其正反行程差直接導(dǎo)致系統(tǒng)誤差。我們選擇了丹東通博電器公司生產(chǎn)的電動(dòng)換向器。切換動(dòng)作完成后，在橫向過(guò)程中流體不外濺和溢出，也不對(duì)管道內(nèi)流體的流動(dòng)產(chǎn)生影響。換向裝置單向行程時(shí)間小于200ms，正反行程時(shí)間差小于20ms。

2.5質(zhì)量流量計(jì)

三套臺(tái)位分別連接了美國(guó)羅斯蒙特公司生產(chǎn)的千分之二精度的質(zhì)量流量計(jì)。安裝質(zhì)量流量計(jì)的主要作用是：在檢定流量時(shí)，在線檢定介質(zhì)的密度、溫度、流量瞬時(shí)值、累積值，實(shí)現(xiàn)流量或定量控制，同時(shí)對(duì)檢定流量在線修正和補(bǔ)償。?

控制系統(tǒng)為上、下位機(jī)兩層結(jié)構(gòu)。上位機(jī)采用PC兼容機(jī)(具有全配置，包括臺(tái)灣研華工控機(jī)、彩顯、24行打印機(jī))，完成運(yùn)算、制表等功能。下位機(jī)為專(zhuān)用PLC(可編程控制器)配有手操面板、控制柜(CLJX-4型數(shù)據(jù)采集控制柜)等，主要用于將檢定管線的流量、溫度、壓力信號(hào)接入，并通過(guò)接口與微機(jī)進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換，完成各種控制功能。下位機(jī)、稱(chēng)重設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基與上位機(jī)之間均采用RS-485進(jìn)行通訊?？刂葡到y(tǒng)硬件組成如圖1所示。

由研華工控機(jī)、可編程控制器(RS?485接口，A/D轉(zhuǎn)換)、高穩(wěn)定時(shí)基、手操盤(pán)(操作指示面板)、繼電器及接線柜、電子秤(梅特勒托力多高精度，多系統(tǒng)工業(yè)用電子秤)、電控柜(富士公司變頻調(diào)速器及手操系統(tǒng))及機(jī)泵(格蘭富士公司高穩(wěn)定機(jī)泵)組成。

3.2軟件功能及環(huán)境

以WINDOWS98為主程序軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有控制、運(yùn)算、動(dòng)態(tài)畫(huà)面、自診斷、通訊、自動(dòng)繪制曲線及制表功能。人機(jī)界面友好，美觀，操作方便。

4.1檢定方法

該裝置以二套電子秤為主要標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，采用靜態(tài)稱(chēng)量法，稱(chēng)測(cè)量時(shí)間內(nèi)經(jīng)換向器流入稱(chēng)量容器內(nèi)的液體量，檢定流量計(jì)。

4.2工作原理

　　(1)檢定前準(zhǔn)備：將被檢流量計(jì)安裝在相應(yīng)的臺(tái)位上，用工業(yè)風(fēng)做氣密實(shí)驗(yàn)。在無(wú)滲漏的情況下，打開(kāi)入口閥、出口閥，然后開(kāi)泵。使液流經(jīng)除氣過(guò)濾器，被檢流量計(jì)，參照流量計(jì)，換向器流入旁路，流回水池，使標(biāo)準(zhǔn)裝置處于循環(huán)狀態(tài)。流量的大小用遙控板控制變頻調(diào)速器，達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)裝置的循環(huán)流量。一般使流量在檢定上限運(yùn)行10min，以排除系統(tǒng)中的氣體，使流量、溫度、壓力穩(wěn)定。

　　(2)開(kāi)始檢定：在上述循環(huán)過(guò)程中，使用變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)流量使其穩(wěn)定在檢定點(diǎn)上進(jìn)行循環(huán)。在稱(chēng)量顯示器上設(shè)置予稱(chēng)點(diǎn)，計(jì)數(shù)器清零。啟動(dòng)定時(shí)器，通過(guò)電磁閥，使換向器將流入旁路的流體迅速切向稱(chēng)量罐。同步行程開(kāi)關(guān)控制計(jì)數(shù)器和稱(chēng)量顯示器開(kāi)始記錄被檢流量計(jì)經(jīng)過(guò)的流量(脈沖數(shù))。由定時(shí)器使電磁閥控制換向器換向，將流體迅速切向旁路。同步行程開(kāi)關(guān)控制稱(chēng)量顯示器和計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。稱(chēng)量顯示器的稱(chēng)量值與計(jì)數(shù)器的脈沖值進(jìn)行比較，就可以計(jì)算出被檢流量計(jì)的準(zhǔn)確度。通過(guò)定時(shí)器控制電器轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)使底球閥動(dòng)作開(kāi)啟，放凈里面的液體，再關(guān)閉排液底球閥，為下次檢定作好準(zhǔn)備。

5.1主要設(shè)備的誤差

稱(chēng)量裝置由電子秤和與其配套的顯示器和稱(chēng)量容器組成。電子秤按規(guī)格用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行檢定，其稱(chēng)量誤差小于0.02%。為了減小計(jì)時(shí)誤差，稱(chēng)量容器要盡可能大，對(duì)最大預(yù)期流量測(cè)量時(shí)差不小于40s，采用柔性管路連接和電氣連接，避免在容器上形成附加力。經(jīng)換向器流向測(cè)量容器的流體應(yīng)盡可能減少流體的沖擊力。測(cè)量裝置中空氣浮力形成的誤差用空氣浮力修正系數(shù)ξ進(jìn)行修正，ξ=ρs(1/ρ-1/ρp)×100%，其中ρs為空氣密度0.00129g/cm3，ρp為標(biāo)準(zhǔn)砝碼密度(g/cm3)，ρ為介質(zhì)密度(g/cm3)。

換向器裝置由換向器和行程開(kāi)關(guān)組成。該裝置在換向過(guò)程中，用來(lái)啟停計(jì)數(shù)器，使信號(hào)傳遞時(shí)間盡可能小。用實(shí)測(cè)的方法確定換向裝置的性能，把流量穩(wěn)定在一固定數(shù)值上，在一定間隔時(shí)間內(nèi)進(jìn)行不少于10次的流量測(cè)量。然后取幾種不同的間隔時(shí)間，重復(fù)測(cè)量。根據(jù)實(shí)測(cè)所取得的數(shù)據(jù)計(jì)算出換向器誤差。本裝置換向最大系數(shù)誤差為0.025%，隨機(jī)誤差為0.035%。

質(zhì)量流量計(jì)由傳感器、變送器和流量數(shù)顯/積算器組成，用于廠家進(jìn)行流量和密度校準(zhǔn)，并將校準(zhǔn)系數(shù)輸入到變送器，使流量的精度在讀數(shù)的0.2%之內(nèi)。

計(jì)時(shí)器采用上海電表廠生產(chǎn)的PPlla通用頻率計(jì)，準(zhǔn)確度為4.2×10-6，隨機(jī)誤差為0.02%。

質(zhì)量流量計(jì)可以直接在線測(cè)量液體的溫度和密度。溫度和密度測(cè)量的精度分別為0.5%、0.04%。

5.2裝置穩(wěn)定性

裝置穩(wěn)定性按管道臺(tái)位分別檢定。將流量穩(wěn)定性在稱(chēng)量裝置最大量限循環(huán)10min。連續(xù)進(jìn)行幾次(n≥10次)測(cè)量，測(cè)量后計(jì)算出上限流量的穩(wěn)定性誤差。

其中M?i為第i次測(cè)量的質(zhì)量流量，M為Mi的平均值，ta為按tx分布概率為95%的置信度計(jì)算。

將流量調(diào)至稱(chēng)量裝置的下限量，由標(biāo)定程序計(jì)算出下限量及下限的穩(wěn)定性δm下。經(jīng)實(shí)際測(cè)試三個(gè)檢定臺(tái)位的穩(wěn)定性?xún)?yōu)于0.05%。

5.3裝置總誤差(總不確定度)

根據(jù)ISOS168，用方和根法將全部誤差合成。

其中：δ—標(biāo)準(zhǔn)裝置系統(tǒng)誤差，δvmax—檢定點(diǎn) 中最大極限相對(duì)誤差，δm—電子秤極限相對(duì)誤差，δρ—密度計(jì)極限相對(duì)誤差，δt1—定時(shí)器相對(duì)誤差，δt2—浮力形成的誤差，δt3—換向裝置隨 機(jī)相對(duì)誤差，δt4—換向器系統(tǒng)誤差。

經(jīng)實(shí)際檢定二臺(tái)電子秤三個(gè)臺(tái)位，每臺(tái)的總誤差都優(yōu)于0.05%。