一種電驅(qū)動雙活塞式氣體流量標準裝置的研制*

陳慧云，程 佳，黃震威，李東升，徐志鵬

(1.中國計量學院 計量測試工程學院，浙江 杭州310018;2.浙江省計量科學研究院 科研中心，浙江 杭州310013)

0 引 言

氣體流量標準裝置是指能夠提供準確氣流量值的測量設(shè)備，用于對氣體流量儀表進行檢定和校準，其主要類型有鐘罩式、pVTt 法、皂膜式、稱量法、活塞式和標準表法等，其中，鐘罩式和pVTt 法為氣體流量原級標準裝置。

活塞式氣體流量標準裝置是屬于容積法中基于動態(tài)測量原理的一類新興的氣體流量標準裝置，由于其具有精度高、流量穩(wěn)定、工作壓力可調(diào)和自動控制效率高等優(yōu)點，最近幾十年得到了較快發(fā)展。相對而言，國外對活塞式流量標準裝置的研究歷史較久，研究水平也較高。德國PTB 早在20 世紀90 年代就研制成功其第一套活塞裝置-活塞式高壓天然氣體積管原級標準，該裝置體積不確定度為0.02%，置換體積為0.148 2 m3，檢定流量范圍為25 ～480 m3/h，工作腔最大壓力為 90 bar［1］;之后，PTB 又與德國一家公司合作開發(fā)了一種雙活塞式氣體流量標準裝置，其一缸作為工作腔，另一缸做指示用，主要用于微小流量氣體檢定，流量范圍為0.5 mL/h～5 L/h，在0.1～5 L/h 的流量范圍內(nèi)，其流量的不確定度為0.05%。此外，意大利也有較高水平的活塞裝置:IMGC－CNR 成功研制了一套1 200 L 的大型活塞式氣體流量標準裝置，流量范圍為0.3～25 m3/h，當排氣量在150～800 L 范圍內(nèi)時，不確定度達0.004 8%～0.001 5%［2］。國內(nèi)對活塞式標準裝置的研究以中國計量科學研究院為代表，其成功研制了國內(nèi)第一套活塞式氣體流量標準裝置，裝置體積流量的不確定度為0.05%，流量范圍為0.009～0.6 m3/h，活塞缸內(nèi)工作壓力最高可達絕壓200 kPa。

現(xiàn)有的活塞式氣體流量標準裝置均采用單工作腔的設(shè)計，檢定流量上限受工作腔容積限制。為了解決這一問題，本文提出并研制了一種電驅(qū)動雙活塞式氣體流量標準裝置。

1 檢定原理

雙活塞式氣體流量標準裝置的結(jié)構(gòu)簡單，如圖1 所示。裝置有1#、2#兩個活塞系統(tǒng)，兩者結(jié)構(gòu)相同。單個活塞系統(tǒng)由活塞缸、盤形活塞、導(dǎo)向桿、滾珠絲桿、聯(lián)軸器、溫度傳感器、壓力傳感器和伺服電機等組成;2 個活塞系統(tǒng)的出氣管路匯成一條管道，該管道后端接音速噴嘴安裝架;在待檢音速噴嘴下游管道上依次安裝真空壓力表和真空泵。2 個活塞缸內(nèi)各自布有溫度傳感器;活塞缸底部安裝有壓力傳感器。

檢定過程中，活塞的運動分為加速、勻速和減速3 個階段。首先，活塞位于零點位置，開啟真空泵，使噴嘴達到臨界狀態(tài)，編碼器輸出脈沖數(shù)清0。啟動1#活塞，使其以穩(wěn)定的加速度加速到能產(chǎn)生所需流量的速度，之后，進入勻速運行狀態(tài);勻速運行一段時間后，檢定開始。當1#編碼器輸出脈沖數(shù)達到設(shè)定值時，控制1#活塞進入減速運行狀態(tài);同時，啟動2#活塞，使其以相同的加速度加速，此時，兩缸共同產(chǎn)生標準流量的氣體。1#活塞減速到0 后，往回運動到0 點位置等待下一次運行;2#活塞加速到相同的速度時進入勻速階段，如此交替使用2 個活塞系統(tǒng)，直至檢定結(jié)束。檢定過程中，要求壓力波動控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，否則，本次檢定失敗，改變速度后再次檢定。

圖1 雙活塞式氣體流量標準裝置示意圖Fig 1 Schematic diagram of double-piston gas flow standard device

2 檢定模型

由于整個檢定過程中工作腔內(nèi)氣體壓力控制在規(guī)定的較小范圍內(nèi)，氣體溫度的變化忽略不計，故一般可以認為標準裝置內(nèi)的氣體密度不變，設(shè)為ρ;活塞的運行距離通過采集編碼器輸出脈沖結(jié)合脈沖當量得到，則標準裝置產(chǎn)生的標準質(zhì)量流量qms為

其中，Sp1為1#活塞橫截面積，m2;Sp2為2#活塞橫截面積，m2;Xn為1#活塞第n 次運行其編碼器反饋的有效脈沖數(shù)，n=1，2，3，…;Xm為 2#活塞第 m 次運行其編碼器反饋的有效脈沖數(shù)，m =1，2，3…;δ 為脈沖當量，mm/脈沖;t 為檢定時間，s。

氣體密度ρ 由下式得到

其中，RH 為氣體相對濕度，%RH，可以由濕度傳感器測量得到;pb為氣體溫度條件下飽和蒸汽壓，Pa，可通過查表得到;R 為通用氣體常數(shù)(8.314 J/mol·K);M 為氣體的摩爾質(zhì)量，kg/mol(對于空氣為28.97 g/mol);Z 為氣體壓縮因子;p，T 分別為氣體絕對壓力、絕對溫度，Pa，K;k 為濕空氣修正系數(shù)。

根據(jù)噴嘴的檢定規(guī)程，待檢噴嘴的流出系數(shù)為

其中，qmn為通過臨界流噴嘴的臨界質(zhì)量流量，kg/s;d 為臨界流噴嘴喉部直徑，m;Cd為臨界流噴嘴的流出系數(shù);C*為臨界流函數(shù);p0，T0分別為臨界流噴嘴入口處的滯止壓力和滯止溫度，Pa，K。

但是，由查表和經(jīng)驗公式計算得到的臨界流函數(shù)C*值只對不含CO2的干空氣才有效，當使用噴嘴測量未經(jīng)干燥的大氣空氣時，其質(zhì)量流量會受到不可忽略的影響［3］。在這種情況下，應(yīng)使用下式給出的質(zhì)量流量修正因子進行修正

式中 qmd為不含CO2的干燥空氣的質(zhì)量流量;XCO2為空氣中CO2的摩爾分數(shù)，如果未知，可用 0.000 4;A =0.127 828τ3－ 0.789 422τ2+ 1.631 66τ － 1.128 18;B =－0.000 288 729π2－ 0.001 910 22π + 0.005 695 36 －，其中，τ =T0/Tc，T0為噴嘴入口處滯止溫度，臨界溫度Tc=132.530 6K;π=p0/pc，p0為噴嘴入口處滯止壓力，臨界壓力pc=3.786 MPa。

根據(jù)氣體連續(xù)性方程，有

由于噴嘴前滯止壓力與活塞缸內(nèi)的氣體壓力差較小，計算時可忽略［4］，故上式轉(zhuǎn)化為

3 裝置硬件設(shè)計

裝置的硬件可分為機械結(jié)構(gòu)和相關(guān)硬件設(shè)備兩部分。該雙活塞裝置的硬件設(shè)備主要包括上位機、PLC、擴展AI模塊、伺服電機、伺服電機驅(qū)動器、編碼器、變送器、閥門、限位開關(guān)等，其硬件設(shè)計框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖Fig 2 Design block diagram of system hardware

3.1 PLC 的選擇

由于該雙活塞裝置涉及雙軸的同步控制，2 個活塞運行同步性好壞決定了檢定成功與否。為了達到較好的同步性，需要PLC 有足夠快的掃描速度。最終選用西門子公司S7-1200 系列的 CPU1214C，其布爾量運算執(zhí)行速度為0.1 μs/指令，有 14 路數(shù)字量輸入、10 路數(shù)字量輸出、2 路模擬量輸入、6 個高速計數(shù)器(HSC)和2 路高速脈沖輸出(PTO)。

3.2 閥門的選擇

該裝置共有5 處使用閥門，分別為1#活塞系統(tǒng)進氣口、出氣口，2#活塞系統(tǒng)進氣口、出氣口，被檢噴嘴下游管道處，其中前4 處采用電控閥門，第5 處采用手動球閥。由于裝置中工作介質(zhì)為氣體，但電磁閥工作時會產(chǎn)生較多熱量，對整個工作腔內(nèi)的氣體狀態(tài)產(chǎn)生極大影響，故裝置上所有電控閥門均采用氣控閥。氣控閥的開/關(guān)由先導(dǎo)室中先導(dǎo)氣的通/斷控制，不涉及電源和線圈等發(fā)熱部件。為每一個氣控閥對應(yīng)配備一個電磁閥，電磁閥控制氣控閥中先導(dǎo)氣的通斷。

3.3 電機的選擇

與步進電機相比，伺服電機具有高速性能好，低速運行平穩(wěn)，動態(tài)響應(yīng)時間短，實現(xiàn)了位置、速度和力矩的閉環(huán)控制等優(yōu)點。此外，伺服電機自帶編碼器，通過采集編碼器的反饋脈沖，結(jié)合脈沖當量，可以直接得到活塞運行距離。綜合考慮了市場上各種電機品牌和型號，最終選用松下A5系列伺服電機。

3.4 其他硬件設(shè)備

裝置中所有變送器的輸出信號均選擇4～20 mA 的標準信號，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后進入PLC，參與計算和控制。行程開關(guān)直接與 PLC 的 DI 口連接。PLC 里的高速計數(shù)器(HSC)采集伺服電機編碼器輸出脈沖，作為活塞運行距離的依據(jù);伺服電機驅(qū)動器接受脈沖串輸出(PTO)發(fā)出的脈沖控制電機運行。

4 裝置軟件設(shè)計

4.1 上位機檢定系統(tǒng)設(shè)計

上位機由LabVIEW 虛擬儀器實現(xiàn)，主要完成檢定界面的設(shè)計搭建、參數(shù)設(shè)定輸入、相關(guān)公式計算、過程壓力溫度數(shù)據(jù)記錄繪制、檢定結(jié)果記錄存儲和數(shù)據(jù)查詢等，其結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 上位機檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Calibration system structure diagram of upper computer

1)相關(guān)參數(shù)設(shè)定模塊:分為三部分:a.裝置參數(shù)設(shè)置:包括活塞直徑和變送器參數(shù)等，這部分內(nèi)容一旦設(shè)定好，除非裝置有改動;否則，固定不變;b.檢定過程參數(shù)設(shè)置:檢定時間、檢定延時、背壓比最大值和壓力波動范圍，檢定延時是指從關(guān)閥到檢定開始的延遲時間;c.被檢噴嘴信息設(shè)置:主要包括噴嘴型號規(guī)格、噴嘴生產(chǎn)廠家、噴嘴出廠編號、噴嘴喉徑和噴嘴出廠名義流量，其中，前3 個信息作為歷史檢定結(jié)果的查詢條件，后2 個信息用于相關(guān)公式計算。

2)檢定過程監(jiān)控模塊:檢定過程監(jiān)控模塊是上位機程序中最重要的部分，主要分為四部分，分別是相關(guān)參數(shù)數(shù)值實時顯示、活塞位置與工作腔壓力圖線顯示、相關(guān)狀態(tài)位顯示和檢定過程執(zhí)行按鈕。裝置根據(jù)噴嘴的名義流量結(jié)合當前溫度壓力值計算出建議流量，活塞以能產(chǎn)生建議流量的速度運行;若檢定過程中壓力超限，活塞急停，輸入下一個建議流量;若檢定過程符合要求，記錄下檢定結(jié)果和過程數(shù)據(jù)。

3)數(shù)據(jù)管理模塊:利用LabVIEW 數(shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL 對檢定數(shù)據(jù)進行存儲、查詢等操作，查詢條件可以是“檢定時間”、“送檢廠家”、“檢定人員”、“噴嘴型號”、“噴嘴編號”和“檢定結(jié)果”中的一項或幾項，輸入的查詢條件越多，查詢結(jié)果越準確。選中需要的記錄，點擊“生成報表”，調(diào)用相應(yīng)子程序?qū)⑿畔鬟f到指定目錄下的報表模板中，并可根據(jù)需要將報表保存到任一路徑下。

4.2 下位機控制系統(tǒng)設(shè)計

下位機的核心是PLC，其主要完成的任務(wù)是:活塞缸內(nèi)溫度、壓力和濕度數(shù)據(jù)采集;接收上位機指令完成電機啟/?？刂啤⒒钊\動控制和閥門開/關(guān)控制等。該裝置采用的西門子S7-1200 相對于S7-200 增加了對運動控制的組態(tài)，可以在PLC 中創(chuàng)建一個工藝對象-“軸”，利用其專用的指令塊，編程實現(xiàn)對活塞加速、勻速、減速、剎車和急停等運動的控制。

5 重復(fù)性實驗

影響流出系數(shù)的不確定度因素很多，但主要影響因素只有3 項，按不確定度貢獻大小排列，分別是溫度測量、活塞標準體積(即活塞面積和活塞位移測量)、流出系數(shù)的重復(fù)性引入的不確定度［5］。對該雙活塞式氣體流量標準裝置進行重復(fù)性實驗，結(jié)果如表1 所示。從實驗結(jié)果可以看出:該裝置重復(fù)性優(yōu)于0.05%。

表1 標準裝置的重復(fù)性實驗Tab 1 Experiments of repetitiveness of standanrd device

6 結(jié)束語

電驅(qū)動雙活塞式氣體流量標準裝置不僅繼承了傳統(tǒng)活塞裝置結(jié)構(gòu)簡單、精度高、流量穩(wěn)定、工作壓力可調(diào)和自動控制效率高等優(yōu)點，而且提高了活塞式氣體流量標準裝置的檢定流量上限。實驗結(jié)果顯示:其重復(fù)性優(yōu)于0.05%，可以用于臨界流流量計的檢定。

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