一種活塞式液體體積標準裝置的研制

李 寧 向德華 朱 寧 歐陽琛

(湖南省計量檢測研究院，長沙 410014)

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一種活塞式液體體積標準裝置的研制

李 寧 向德華 朱 寧 歐陽琛

(湖南省計量檢測研究院，長沙 410014)

設(shè)計了一種基于PLC自動控制和組態(tài)軟件編程的被動活塞式液體體積標準計量裝置，實現(xiàn)了5～1000L范圍內(nèi)任意體積測量，解決了容量比較法水不能自動提升的難題。分析了裝置的不確定度來源，評定了裝置不確定度(Ur(V))=2.6×10-4,k=2)，用一等標準金屬量器驗證了裝置的準確度。

容量計量裝置；活塞法；液體體積；標準裝置

0 引言

容量計量標準器具分為四種：玻璃量器標準裝置、衡量法容量標準裝置、金屬量器標準裝置和計量罐容積檢定裝置[1]，前面三種方法都可以用水作介質(zhì)實現(xiàn)體積值量值傳遞，但是水僅能流向位置低于標準裝置的被檢對象，且第一種和第三種裝置的測量值不連續(xù)。體積管是用于檢定累積式流量計的標準裝置[2]，能夠連續(xù)準確測量流體體積，田冠亞等人[3]研制的一種主動式活塞標準裝置能夠測量10～150mL水的體積，準確度0.124%，重復(fù)性0.032%；尹建等人[4]研制的一種新的活塞位移型流量標準裝置能夠檢測累積式流量計，準確度0.1%，穩(wěn)定性0.02%?；钊揭后w流量裝置準確度高，重復(fù)性、穩(wěn)定性好，多數(shù)為主動式活塞，通常由伺服電機驅(qū)動，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用、維護都不方便，且單向使用，標準容積較小時，不能通過多次往復(fù)使用，測量比標準容積大的體積。為了解決上述問題，本文采用PLC和電控氣動電磁閥控制介質(zhì)流向，研制了一套4L被動活塞式液體體積標準裝置(下稱活塞式體積裝置)，通過活塞雙向連續(xù)計量，實現(xiàn)5～1000L范圍內(nèi)任意體積任意高度的容量測量。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

活塞式體積裝置由活塞缸、活塞、高精度光柵尺、三通閥和管路組成，裝置如圖1所示。

圖1 活塞式體積裝置結(jié)構(gòu)示意圖

其工作流程如下：將0.03MPa以上壓力的水管與裝置的入水口相連，出水口與被檢容器相連。通過裝置的觸摸屏設(shè)定排氣運行次數(shù)，排出活塞內(nèi)空氣，活塞到達初始位置；設(shè)定需要檢測的體積，活塞開始往復(fù)運動。PLC控制圖1中右側(cè)三通閥連通出水口，左側(cè)三通閥連通進水口，活塞桿伸出，同時測量出水溫度和光柵位置；活塞到達最右側(cè)后，PLC切換右側(cè)三通閥連通入水，左側(cè)三通閥連通出水，活塞桿縮進，同時測量出水溫度和光柵位置。PLC根據(jù)被測體積，計算出活塞最后停留位置；活塞排水完成后，測量被測容器內(nèi)水的溫度和液位，軟件自動計算出被測容器液位高度下20℃時的體積。

2 計算公式

活塞雙向計量，最終的體積為每次伸出(正行程)、縮進(反行程)測得的脈沖數(shù)與對應(yīng)脈沖當量之積，分別進行溫度修正后再累加得到，該體積值為被檢容器對應(yīng)液位h時20℃的體積值，公式如下[5]:

β2(20-t0)+βw(t0-tj)]

式中：V20為被檢金屬量器在標尺高度h時20℃的容積值；Xi為第i次正行程累積脈沖數(shù)；Xj為第j次反行程累積脈沖數(shù)；f1為正行程脈沖當量,m3；f2為反行程脈沖當量,m3；β1為活塞缸體的體膨脹系數(shù)，℃-1；β2為被檢金屬量器的體膨脹系數(shù)，℃-1；βw為水的體膨脹系數(shù)，℃-1；ti為第i次正行程排水的平均溫度，℃；tj為第j次反行程排水的平均溫度，℃；t0為被檢金屬量器在標尺高度h時的水溫，℃。

3 裝置硬件及軟件控制

系統(tǒng)上位機軟件采用組態(tài)軟件編程，實現(xiàn)檢定校準全過程，包括活塞的計量校準、排氣準備、數(shù)據(jù)采集與計算和控制運行等功能，其檢定流程如圖2所示。

圖2 上位機程序流程圖

活塞式體積裝置依靠進水的水壓驅(qū)動，活塞和光柵尺是計量核心，PLC和三通閥是實現(xiàn)裝置功能的執(zhí)行機構(gòu)，硬件控制如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

4 不確定度評定

4.1 數(shù)學模型

由于排水側(cè)總與大氣相通，水壓接近大氣壓，因此不考慮缸體材料彈性變形的影響；考慮到雙向與單向測量不確定度相近，為了簡化，以正行程排水一次為例進行評定，其計算公式為：

V1=X1f1[1+β1(t1-20)+β2(20-t0)+

βw(t0-t1)]

式中：V1為一次測量中從活塞裝置輸入到被檢金屬量器的水在20℃的容積值；X1為一次測量中正行程累積脈沖數(shù)。

4.2 靈敏系數(shù)

在對水表檢定裝置的標準金屬量器檢定的一次測量過程中，正行程光柵脈沖數(shù)為76985，正行程脈沖當量f1=8.035×10-8m3，缸體膨脹系數(shù)β1=71.4×10-6℃-1，標準金屬量器的體膨脹系數(shù)β2=50×10-6℃-1，水的體膨脹系數(shù)βw=2×10-4℃-1,活塞出口溫度t1為20.4℃，標準金屬量器水位達到設(shè)定值時水溫t0為20.6℃，測量體積V1為6.1868×10-3m3。

c(X1) =f1[1+β1(t1-20)+β2(20-t0)+

βw(t0-t1)]=8.04×10-8m3

c(f1) =X1[1+β1(t1-20)+β2(20-t0)+

βw(t0-t1)]=7.70×104

c(β1)=X1f1(t1-20)=2.47×10-3m3℃

c(t1)=X1f1(β1-βw)=-7.95×10-7m3/℃

c(β2)=X1f1(20-t0)=-3.71×10-3m3℃

c(t0)=X1f1(βw-β2)=9.28×10-7m3/℃

c(βw)=X1f1(t0-t1)=1.24×10-3m3℃

4.3 不確定度分量計算

4.3.1 測量過程累計脈沖數(shù)引入的不確定度

4.3.2 脈沖當量引入的不確定度

根據(jù)本項目總結(jié)報告，評出脈沖當量引入的標準不確定度為：

u(f1)=3.68×10-12m3

4.3.3 活塞缸體的體膨脹系數(shù)引入的不確定度

4.3.4 活塞缸出口水溫引入的不確定度

4.3.5 標準金屬量器的體膨脹系數(shù)引入的不確定度

4.3.6 標準金屬量器內(nèi)水溫引入的不確定度

4.3.7 水的體膨脹系數(shù)引入的不確定度

4.4 不確定度分量一覽表

不確定度分量如表1。

表1 活塞式體積裝置不確定度分量一覽表

合成不確定度uc(V1)=5.38×10-7m3, 取擴展因子k=2，相對擴展不確定度為：

Ur(V1)=kuc(V1)/V1=1.8×10-4

反行程的脈沖當量及體積計算方法與正行程相同，因此其不確定度評定方法、模型均相同，反行程體積測量不確定度：

Ur(V2)=Ur(V1)=1.8×10-4

該裝置體積測量相對擴展不確定度為：

5 實驗驗證

為了驗證本項目活塞式液體體積裝置的準確度，采用本裝置和我院一等標準金屬量器進行比對，選取我院5L和1000L二等標準量器分別作為傳遞標準，用本項目活塞裝置和一等標準金屬量器分別排出5.000L、1000.000L水注入5L和1000L二等標準量器中，通過二等量器的標高、分度值計算出二等量器的示值，重復(fù)實驗6次，結(jié)果如表2。

表2 活塞式體積裝置與一等標準金屬量器比對結(jié)果 單位：L

參與比對的一等標準金屬量器不確定度優(yōu)于本項目的活塞式液體體積標準裝置，比對時滿足式(1)即可[6]:

(1)

以5L二等量器為傳遞標準進行比對時，y1=5.0006L，y2=5.0005L，U=2.6×10-4×5=0.0013L,式(1)成立。

以1000L二等量器為傳遞標準進行比對時，y1=1000.166L，y2=1000.046L，U=2.6×10-4×1000=0.26L，式(1)成立。因此，本項目活塞式液體體積裝置的準確度得到驗證。

6 結(jié)束語

活塞式液體體積裝置不需要自身動力，體積小，重量輕，是一種便攜式裝置；裝置準確度優(yōu)于0.05%，重復(fù)性好，能夠連續(xù)測量5～1000L范圍內(nèi)任意體積值，且不受被測對象高度位置的限制。

[1] 劉子勇.容量計量[M].北京：中國計量出版社，2009:18-19

[2] 王池，王自和，張寶珠，等.流量測量技術(shù)全書[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012:631-638

[3] 田冠亞，程佳，李文軍，等.150mL活塞式液體微小流量計量標準裝置的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(12)：21-24

[4] 尹建，楊愛敏，劉仙航，等.一種新的活塞位移型液體流量校準裝置[J].儀器儀表學報，2001，22(3)增刊:456-457

[5] JJG 133—2005汽車油罐車容量[S]

[6] 丁躍清，倪育才，鄧媛芳，等.JJF 1033—2008《計量標準考核規(guī)范》實施指南[M].北京：中國計量出版社，2008：105-106

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.07.07