水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)與研究

謝文強(qiáng)，燕南飛，薛 琴

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077）

煤礦安全開采中，煤礦井下突水事件發(fā)生概率大，地下水害已成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要因素[1]。井下流量監(jiān)測(cè)大量使用到流量計(jì)作為煤礦的常規(guī)任務(wù)為地下水害預(yù)警分析提供了重要的基礎(chǔ)資料和歷史參考依據(jù)[2]。水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是計(jì)量部門和流量計(jì)制造企業(yè)進(jìn)行量值傳遞、溯源與檢定測(cè)試工作的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之一[3]。對(duì)于流量計(jì)制造企業(yè)，有大量?jī)x表檢定工作和新產(chǎn)品研制過程中的實(shí)驗(yàn)工作，對(duì)每臺(tái)流量計(jì)均需逐臺(tái)檢定以確定流量計(jì)的儀表系數(shù)、不確定度、重復(fù)性和量程范圍等技術(shù)指標(biāo)[4]。這些工作都需在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行，不僅要求流量標(biāo)準(zhǔn)裝置具有足夠的準(zhǔn)確度和可靠性，還希望能有比較高的檢定效率[5]。因此，研究設(shè)計(jì)一套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置具有一定的理論和實(shí)際意義。

1 水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置整體設(shè)計(jì)

水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用靜態(tài)質(zhì)量法與標(biāo)準(zhǔn)表法相結(jié)合的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用穩(wěn)壓罐加變頻調(diào)速的方式進(jìn)行控制，以保證裝置流量測(cè)量擴(kuò)展不確定度。DN15～DN80以下可獨(dú)立進(jìn)行檢定。檢定/校準(zhǔn)過程由微機(jī)系統(tǒng)控制，檢定結(jié)果自動(dòng)生成打印，自動(dòng)化程度高?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)速度式A類流量計(jì)（以電磁、渦街、渦輪流量計(jì)為主）的檢定。水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置由儲(chǔ)水循環(huán)穩(wěn)壓系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算及管理系統(tǒng)組成。

1.1 儲(chǔ)水循環(huán)穩(wěn)壓系統(tǒng)

通過2臺(tái)泵組合運(yùn)用，能夠覆蓋裝置的流量范圍，并在滿足流量調(diào)節(jié)的前提下充分體現(xiàn)節(jié)能與經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的原則。

1.1.1 水泵

水泵采用自動(dòng)和手動(dòng)2種控制方式，大小泵可聯(lián)動(dòng)使用，同時(shí)可根據(jù)流量需要對(duì)單個(gè)水泵進(jìn)行單獨(dú)變頻控制。水泵選取為立式單級(jí)離心泵，選型依據(jù)水力計(jì)算合理選型，充分考慮了水泵的最佳工作區(qū)間。具體配置為2臺(tái)揚(yáng)程為32 m，流量分別為100 m3/h和25 m3/h，電機(jī)配套功率為15 kW。

1.1.2 儲(chǔ)水池

儲(chǔ)水池容積約為7.25 m3左右，液面面積約為5.8 m2左右。水泵抽水選用正向吸程，可避免夾帶空氣及每次啟動(dòng)加引水等問題出現(xiàn)。

1.1.3 穩(wěn)壓罐

穩(wěn)壓罐選用立式穩(wěn)壓罐實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能。裝置穩(wěn)壓罐容積滿足最大流量100 m3設(shè)計(jì)下的穩(wěn)壓要求，同時(shí)配備消氣過濾裝置，穩(wěn)壓罐輸出流量的壓力波動(dòng)值可穩(wěn)定在0.1%以內(nèi)。

1.1.4 流量調(diào)節(jié)閥

流量調(diào)節(jié)閥選用氣動(dòng)V型調(diào)節(jié)球閥，采用美國(guó)進(jìn)口定位器。此形式調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能為等百分比狀態(tài)，其線性調(diào)節(jié)范圍能達(dá)到10%～90%，精度為1%，調(diào)節(jié)迅速。

1.2 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)

水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用靜態(tài)質(zhì)量法與標(biāo)準(zhǔn)法相結(jié)合的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。故計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)分為2部分：一是稱重標(biāo)準(zhǔn)器，二是標(biāo)準(zhǔn)表。

1.2.1 稱重標(biāo)準(zhǔn)器

依據(jù)最大流量和最小流量點(diǎn)的檢定時(shí)間，同時(shí)考慮到在線檢定所有標(biāo)準(zhǔn)表的需求，本套裝置選擇了3臺(tái)電子稱，其量程分別為6 kg、60 kg、300 kg，作為整個(gè)裝置的最高計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)。完全滿足質(zhì)量法對(duì)0.2級(jí)以上DN80以下口徑的流量計(jì)的檢定/校準(zhǔn)。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)表

標(biāo)準(zhǔn)表選型為準(zhǔn)確度優(yōu)于0.2級(jí)的電磁流量計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)量程范圍（0.5～100）m3/h。具體配置為DN80、DN50、DN15的電磁流量計(jì)各1臺(tái)，通過并聯(lián)形成標(biāo)準(zhǔn)表組。其組合量程范圍完全能夠覆蓋所有被檢測(cè)流量計(jì)流量點(diǎn)的檢定范圍。

2 水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)合了靜態(tài)質(zhì)量法和標(biāo)準(zhǔn)表法兩大優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)表部分、被檢表部分和稱重部分等組成。使用靜態(tài)質(zhì)量法時(shí)，水流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)表、被檢表和稱重容器，這時(shí)標(biāo)準(zhǔn)表只起到顯示瞬時(shí)流量的作用，并不參與計(jì)算；使用標(biāo)準(zhǔn)表法時(shí)，水流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)表、被檢表后直接流回水箱，不再經(jīng)過稱重部分。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure diagram

水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置硬件控制系統(tǒng)由上位機(jī)、采集卡、控制柜、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)源和被控流量計(jì)組成。其硬件控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 硬件控制系統(tǒng)圖Fig.2 Hardware control system diagram

上位機(jī)選用研華原裝工控機(jī)，處理來(lái)自串口和采集卡的數(shù)字信息。采集卡是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的擴(kuò)展和與現(xiàn)場(chǎng)之間的接口，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和控制信號(hào)的輸出?？刂乒袷切畔⒘鞯闹修D(zhuǎn)站，主要由電源部分、繼電器、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊和控制面板組成，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)電源的提供、信號(hào)轉(zhuǎn)換和手動(dòng)控制等功能。

3 水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

流量計(jì)檢定流程在順序上大致由4大部分構(gòu)成，即檢定初始化、檢定過程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和報(bào)表打印。流量計(jì)檢定程序軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Flow chart of software

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可靠運(yùn)行的保證。從檢定過程的角度而言，裝置的任何功能都要通過控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如檢定流程的控制、流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)、各種報(bào)表的生成及打印等。從功能模塊上，軟件系統(tǒng)主要是由系統(tǒng)管理、標(biāo)準(zhǔn)表法檢定、靜態(tài)質(zhì)量法檢定和歷史數(shù)據(jù)查詢等幾部分組成的，功能模塊如圖4所示。

圖4 功能模塊Fig.4 Function module

4 水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度評(píng)定

測(cè)量不確定從評(píng)定方法上分為A類和B類測(cè)量不確定度評(píng)定。A類不確定度指的是用對(duì)觀測(cè)列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法來(lái)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度。B類不確定度指的是用不同于觀測(cè)列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法來(lái)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度。水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度評(píng)定分為2部分：一是靜態(tài)質(zhì)量法的不確定度計(jì)算；二是標(biāo)準(zhǔn)表法的不確定度評(píng)定，現(xiàn)以靜態(tài)質(zhì)量法為例對(duì)其不確定度進(jìn)行評(píng)定。

4.1 電子稱的不確定度計(jì)算

在電子稱所使用的量程范圍內(nèi)，設(shè)置10個(gè)檢定點(diǎn)（j=1、2、3、…、10），用標(biāo)準(zhǔn)砝碼從 j=1 逐漸加載到j(luò)=10，完成第1次檢定；再?gòu)膉=10逐漸卸載到j(luò)=l，完成第2次檢定。分別記載各點(diǎn)的加載質(zhì)量、卸載質(zhì)量以及衡器的讀數(shù)，重復(fù)進(jìn)行，直到完成第10次檢定。那么，電子秤第j點(diǎn)測(cè)量的A類相對(duì)不確定度為

電子秤第j點(diǎn)測(cè)量的B類相對(duì)不確定度為

式中：mj為第j點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量；R0為電子秤空載時(shí)進(jìn)行10次測(cè)量的示值平均值；Δmji為第j點(diǎn)第i次測(cè)量的差值；電子稱第j點(diǎn)差值的平均值。

4.2 換向器的不確定度計(jì)算

將流量調(diào)到換向器所在臺(tái)位的檢定流量，穩(wěn)定10 min；然后，操作換向器開關(guān)，使換向器換向10次，分別將換入時(shí)間和換出時(shí)間記作t1i和t2i。那么，換向器時(shí)間引入的A類不確定度分別為

換向器引入的B類不確定度為

式中：t1i為換入時(shí)間；t2i為換出時(shí)間；tmin為 30 s。

4.3 計(jì)時(shí)器的不確定度計(jì)算

連接計(jì)時(shí)器和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)器，以裝置最短測(cè)量時(shí)間為時(shí)間間隔，啟停計(jì)時(shí)器，讀取計(jì)時(shí)器值和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)器值，得到兩者差值Δti，完成一次檢定，重復(fù)10次。計(jì)時(shí)器引入的A類不確定度分別為

計(jì)時(shí)器引入的B類不確定度為

綜上，靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（以6 kg電子稱為例）的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

取K=2，得到靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度：

可見，Ur=kUrc＝0.041%＜0.05%， 測(cè)量結(jié)果符合要求。

5 結(jié)語(yǔ)

水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為流量計(jì)的科研生產(chǎn)和質(zhì)量檢測(cè)檢驗(yàn)的發(fā)展起到了重要作用，同時(shí)為流量計(jì)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模奠定了雄厚的基礎(chǔ)。水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置投入使用后，對(duì)近百臺(tái)電磁、渦街、渦輪流量計(jì)進(jìn)行了檢測(cè)，其結(jié)果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、檢測(cè)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、人機(jī)界面和諧、抗干擾能力強(qiáng)、使用效果好，為流量計(jì)的研制、生產(chǎn)和檢驗(yàn)提供了大量科學(xué)數(shù)據(jù)，符合國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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