高精度水力機械試驗臺流量原位標定研究進展

車曉紅　成　立　湯方平

摘要:綜述了國內外在流量計標定技術、流量計原位標定方法和國內現有試驗臺原位標定裝置的一些研究成果,分析了流量原位標定裝置研制的發(fā)展趨勢。指出為保證試驗臺流量精度,應根據試驗臺實際情況綜合分析,采用合理的流量計原位標定裝置,達到既保證精度要求又降低造價的目的。提出應在試驗臺原位標定方法、原位標定系統(tǒng)不確定度及計算機控制技術在原位標定過程的應用等方面開展深入研究。

關鍵詞:試驗臺;原位標定;流量;進展

中圖分類號:TV131.6;TK730.7文獻標識碼:A 文章編號:1672-1683(2009)05-0049-03

Review on the Flow Calibration of High-Precision-Hydromachine-Test-Rig

CHE Xiao-hong1,CHENG Li2,TANG Fang-ping2

(1.Hanjiang Radio & TV University,Yangzhou 225009,China;

2.Hydrodynamic Engineering Laboratory of Jiangsu,Yangzhou University,Yangzhou 225009,China)

Abstract: The paper summarizes some research results in China and abroad: calibration technique of flowmeters,the methods of discharge calibration for test rig and systems of calibration. The trend of calibration system is analyzed. According to the comprehensive analysis,suitable calibration system should be adopted to achieve both decreasing cost and ensuring accuracy. Depth researches on application of methods of calibration,uncertainty synthesis of system and computer control technique in the process of calibration are suggested.

Key words: test rig;calibration;discharge;review

隨著我國國民經濟的迅速發(fā)展,水電站及水泵站現代化建設也得到快速發(fā)展,工程的建設、發(fā)展,迫切需要對相關關鍵技術開展深入研究:如性能優(yōu)異的新型水力機械;葉輪及流道整合的系統(tǒng)(裝置)的水力特性、動力特性、汽蝕特性、穩(wěn)定性等。高精度的水力機械試驗臺滿足了這些需求,國內試驗臺主要分布在哈爾濱東方電機廠、中國水利水電科學研究院、揚州大學、河海大學、江蘇大學等研究機構和高校,國外有Adelize國際水力機械獨立實驗室、日立公司、美國Laval大學[1]、法國Federal Polytechnic試驗臺[2]等。

水力機械試驗臺主要工作參數有揚程、流量、轉矩和轉速等,其中流量的測量是難度最大的,它對試驗臺的測試精度起著決定性的作用。為保證試驗臺精度和試驗穩(wěn)定性,除了選擇高精度的測流設備外,還需有高精度的流量原位標定手段。

本文綜述了流量計標定技術和水力機械試驗臺原位標定系統(tǒng)研究現狀,指出了流量標定裝置研制的發(fā)展趨勢,并提出了試驗臺原位標定研究的方向。

1 流量計標定方法

目前世界上流量計標定方法主要有兩種:直接測量法和間接測量法[3-4]。

1.1 直接測量法

直接測量法又稱為實流檢定法,是以實際流過被檢流量計,在用標準裝置(標準流量計量器具或標準流量計)測出其流過流量計的流量與被檢流量計的流量示值比較。實流檢定法測得的流量值既可靠又準確,是目前許多國家在標定流量計時所采用,而且是作為建立標準流量的方法。

實流校驗分為離線實流校驗和在線實流校驗。

離線實流校驗是將流量計置于實驗室的流量標準裝置上(見圖1)在參比條件下測得流量計流量測量范圍及其基本誤差。這類裝置具有規(guī)范化的國際標準或國內標準和相應的檢驗規(guī)程。目前我國大部分流量計標定采用該方法。

在線實流校驗則是將流量計安裝在現場管道上,設置適合在現場校驗的流量裝置,不一定完全符合參比條件下校驗的要求。校驗結果所得誤差為現場實際誤差,包含基本誤差和附加誤差兩部分。現場在線校驗只能獲得實際誤差,不能按參比條件確定其基本誤差?，F場在線校驗時,應按實際使用條件靈活地確定標定方案。

1.2間接測量方法

間接測量法是以測量流量計或傳感器的結構尺寸或其他與計算流量有關的量,并按規(guī)定方法使用間接地校準流量計獲得相應的準確度。作為間接測量法的典范,標準差壓流量計中已標準化了的孔板、噴嘴和文丘利管,就是檢測其幾何尺寸與校驗配套差壓計的差壓值,而其他(如電磁、渦街流量計)間接測量法還正在標準化研究中。大管徑、大流量的測量迫在眉睫。

大型實流檢定流量計所用的設備造價昂貴、很難普遍建立。目前世界上解決該問題的趨勢是采用直接法和間接法相結合的方法。例如對流量較小的中、小口徑的流量計作實流校驗(定量標定)后,采用串聯解決小流量實流標定。在用實流標定之后的標準流量計,采用并聯解決大口徑流量計的實流標定。

2 水力機械試驗臺流量原位標定方法

目前,國內外水力機械試驗臺流量測試采用的流量計[5-6]主要有:標準差壓流量計、孔板流量計、電磁流量計、超聲波流量計、渦輪流量計等,其中在高精度實驗室中采用最多的是電磁流量計、超聲波流量計和文丘里流量計,雖然它們初期投入使用正常,但隨著時間的推移,如何保證測試準確度,對實驗室維護人員提出了較高的要求。由于使用的環(huán)境、安裝條件的影響,流量計測量系統(tǒng)測試不確定度仍將發(fā)生變化。為了保證流量計的流量值和準確度,必須對流量計進行原位流量檢定或標定。

所謂原位校正是指測量儀表在試驗現場安裝好的條件下用高一級精度儀表進行的校正。原位校正后的流量計精度,與高一級精度的儀表精度有關。

根據相關試驗規(guī)范[7],能在試驗室條件下實現高精度流量測量的方法如表1所示。

其他的流量測量方法如標準孔板,標準文吐里管、堰、速度面積法、示蹤法,由于測量精度不高,在高精度測試中難予考慮。上表的基本方法(原級方法)中,稱重法具有最高測量精度,但需要有大型稱重容器。一般用高精度天平對精度的容積進行校正,校正時間應大于60 s,適用于流量小于1.5 m³/s的流量測量;容積法,一般仍用高精度天平對精確的容積[25]進行校正,校正時間應大于60 s,可用于較大流量測量。

原級方法一般用于原位校正。例如,葉片泵能量特性試驗[8],一條試驗特性曲線(流量與揚程、泵效率等的關系)一般應測試13～15個流量點,并應在一次試驗中完成。而原級試驗方法,每測試一個流量點需要較長時間,因而一般在高精度試驗中是采用經過事先原級方法原位校正的流量計進行流量測量的,其系統(tǒng)誤差可保證在±(0.3%～1%)范圍。

3 國內已建試驗臺流量原位標定裝置

3.1 東方電機廠DF-18大能量水輪機模型試驗臺[9]

DF-18大能量水輪機模型試驗臺于1997年建成,主要用于貫流式、軸流式及低水頭混流式等高比速水輪機的研究性模型試驗。

流量的測量采用國產M960型雙向電磁流量計進行測量,水平布置在管道系統(tǒng)的最底層,設計的管路系統(tǒng)可實現流量計的雙向原位標定,流量計前后直管段長達10 m。流量計標定系統(tǒng)由水庫、2 t標準量筒、90 t校正桶、流量切換器、時間測量裝置等部分組成。標定流量采用稱重法。2 t標準量筒采用精度為±1/20 000的標準砝碼標定后作為90 t校正桶的標定標準,稱重誤差小于±0.01%。用校正桶對電磁流量計進行標定,經原位標定的電磁流量計,其重復度小于±0.2%。

3.2 富春江水電設備總廠水力機械通用試驗臺[10]

富春江水電設備總廠水力機械通用試驗臺于1984年新建,于1992年通過原能源部組織的技術鑒定。試驗臺設置了兩個試驗段:一個專用于燈泡貫流式機組的模型試驗;另一個用于立式機組的模型試驗。試驗臺可供臥式、立式不同類型的反擊式水輪機、水泵進行全面的水力性能試驗及模型驗收試驗。

試驗流量采用德國Fischer-Porter公司生產的D10DK1425型電磁流量計測量。測量范圍為0.05~1.5 m³/s。流量計用容積法進行原位標定。標定池有效容積165 m³,精度為±0.03%。流量測試誤差±0.171%。

3.3 湖南省水力機械重點實驗室[11]

湖南省水力機械重點實驗室于1994年建成以電子稱為特色的重量法和小流量標準筒容積法并存的高精度原位標定系統(tǒng)裝置(圖2),經湖南省計量測試技術研究所現場驗收檢定,系統(tǒng)裝置準確度δ=±0.096%。該裝置運行多年,標定流量計上百臺,其精度都

在±0.3%之內。

該裝置的特色是在電子稱的旁通管上增設了一個0.9 m³的標準量筒(精度±0.03%),以保證小流量標定的精度。當用標準量筒標定流量時,則電子稱的底閥常開,成為容積法的旁通。標準量筒和電子稱重罐的兩個放水閥及水流切換系統(tǒng)采用電控氣動方式,用一臺空氣壓縮機作為氣源。切換裝置配備高精度TP-I型時間脈沖同步計數器。切換的往返誤差可控制在3 ms以內(標準規(guī)定為20 ms),保證了裝置精度。

3.4 哈爾濱大電機廠高水頭水力機械試驗臺[12]

流量采用精度為±0.2%的MSF900型電磁流量計,校準方法采用容積為120m³的精度為±0.08%的標準容積筒,通過管路切換,在不改變流量計的工作狀態(tài)下進行校準;試驗水頭采用精度為±0.075%的3 051CD型差壓傳感器測量,采用精度為±0.02%的活塞壓力計進行原位校準,力矩采用精度為±0.02%的1110-A0型負荷傳感器,采用精度為±0.0 025%的標準砝碼進行原位校準。效率試驗精度為±0.25%。

3.5 中國水科院高精度水力機械模型試驗臺[13]

中國水科院水電所擁有3座高精度水力機械模型試驗臺,其中1號試驗臺于1987年通過技術鑒定,效率總誤差保持在±0.25%以內;2號試驗臺為渾水模型通用試驗臺,試驗綜合誤差小于±0.25%;3號試驗臺為高精度水力機械模型試驗臺,以封閉及半開敞式運行,能開展軸流、斜流、混流式水輪機、水泵及水泵-水輪機的常規(guī)性能試驗研究及內特性專項試驗研究,可進行機理性試驗以及國內、國際水力機械模型驗收試驗,1991年通過水利部鑒定,其測試總誤差小于±0.25%。

流量測量采用電磁流量計,標定系統(tǒng)由主動力水泵、電磁流量計、流量稱重系統(tǒng)及水庫水位控制系統(tǒng)等組成,可以進行正反兩個方向的流量標定及測試。稱重系統(tǒng)為獨創(chuàng)的100 t電子測重流量計校正系統(tǒng),由110 t秤重桶、3個50 t負荷傳感器及測試儀表組成,其滿量程測試范圍為100 t,該稱重系統(tǒng)采用水體置換法用高精度不等臂天平(精度為±0.5×10-5)每2年由中國計量科學研究院進行原位標定,稱重桶的線性誤差在±0.03%以內,為提高流量測試精度創(chuàng)造了良好的先決條件,處于水力機械行業(yè)國際領先地位。

4 流量標定裝置發(fā)展趨勢

近年來,隨著新技術、新方法的不斷出現,流量標定裝置發(fā)展出現了多樣化的趨勢,主要表現為以下趨勢。

4.1 不斷提高流量標定裝置的精度

高精度的流量標定裝置通常采用靜態(tài)質量法,研究的重點集中在減少稱重系統(tǒng)的誤差上。如PTB (德國國家物理實現室)[14]建造的一套高精度水流量標準裝置采用了雙翼片式換向器,提高了稱重部分不確定度精度。

4.2 新的測量方法和測量手段出現

利用計算機網絡技術,PTB對相距約300 km外的“pigsar”實現了遠程檢定[15]。隨著新型流量計的不斷出現,標準表法流量標準裝置研究重新得到重視,匈牙利FLOMET公司以科里奧利質量流量計作為標準表,獲得了優(yōu)于0.01%的重復性[16]。巴西建造了一套用三臺渦輪流量計作標準表的水流量標準裝置[17]。

4.3 變頻調速技術的應用

變頻調速技術的普遍采用,節(jié)省了高位水塔高昂的建設費用和維護費用,并避免裝置運行過程中由于流量調節(jié)閥造成的水頭損失,具有顯著的節(jié)能效果。上海威爾泰工業(yè)自動化股份有限公司[18]建立起一套全球最大的變水頭大流量標準裝置可以標定管直徑10 mm至3 800 mm的電磁流量計,其流量范圍為(0~25 000) m³/h。該裝置由水池,變頻泵循環(huán)系統(tǒng),試驗管路,高精度電子秤,標準容積段以及自動控制系統(tǒng)組成。其核心就是變水頭部分,包括標準容積段、試驗管路和可實時動態(tài)調節(jié)保證流量恒定的自動控制閥門,這是有別于其它高水頭液體流量標準的主要方面。

5 結語

目前水力機械試驗臺測量系統(tǒng)精度得到不斷提高,試驗臺原位標定裝置越來越得到廣泛重視。本文介紹了國內外在流量計標定技術、流量計原位標定方法和國內現有試驗臺原位標定裝置的一些研究成果。為更好地保證試驗臺精度,首先應根據試驗臺實際情況綜合分析,采用合理的流量計原位標定裝置,達到既保證精度要求又降低造價的目的。其次應在以下方面進行更深入的研究探討:①基于試驗臺的原位標定方法;②原位標定系統(tǒng)不確定度;③計算機控制技術在流量計原位標定過程的應用。

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