可移動(dòng)浮子流量計(jì)檢定裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院，天津 300192）

浮子流量計(jì)是一種借助浮子在充滿流體的垂直錐形管中升降，指示流體體積流量的流量?jī)x表。浮子流量計(jì)由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、流量示值直觀、使用維護(hù)方便、壓力損失小等特點(diǎn)[1-2]，被大量地應(yīng)用于電力、石化、化工、冶金、醫(yī)藥等行業(yè)，因此企業(yè)對(duì)浮子流量計(jì)的量值溯源需求迫切。區(qū)別于其它類(lèi)型的流量計(jì)，絕大部分浮子流量計(jì)只能垂直安裝，且介質(zhì)由下向上通過(guò)流量計(jì)，而目前國(guó)內(nèi)大部分水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置只能提供水平方向的流場(chǎng)，這就要求計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)引進(jìn)專(zhuān)用的浮子流量計(jì)檢定裝置[3-4]，這具有以下缺點(diǎn)：①一套完整裝置的建設(shè)需要大量的資金投入；②專(zhuān)用裝置靈活性差，應(yīng)用面窄；③占地面積大，對(duì)實(shí)驗(yàn)室空間要求較高。

為完成浮子流量計(jì)的檢定工作并避免建設(shè)專(zhuān)用裝置帶來(lái)的種種缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)式浮子流量計(jì)檢定裝置。

1 裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前大部分計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)的液體流量實(shí)驗(yàn)室均具備水平流向的水流量試驗(yàn)裝置，為了充分利用現(xiàn)有資源，本文擬設(shè)計(jì)一種可移動(dòng)浮子流量計(jì)檢定裝置，將其與水流量裝置連接后可把水平流場(chǎng)轉(zhuǎn)換為由下至上的垂直流場(chǎng)。

以天津計(jì)量院的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為例，裝置試驗(yàn)管路前后預(yù)留了旁路，通過(guò)控制三通閥門(mén)可實(shí)現(xiàn)水流在試驗(yàn)管路和旁路之間的切換，三通閥的一端分別通過(guò)軟管與可移動(dòng)浮子流量計(jì)檢定裝置的入、出口相連，形成浮子流量計(jì)檢定回路。水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置與可移動(dòng)浮子流量計(jì)檢定裝置連接后的試驗(yàn)系統(tǒng)（下文稱(chēng)之為組合裝置）如圖1所示。

圖1 組合裝置連接示意Fig.1 Schematic diagram of connection of combined device

可移動(dòng)浮子流量計(jì)檢定裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，其主體為一個(gè)長(zhǎng)方體框架，框架中部為工作臺(tái)面，臺(tái)面一側(cè)安裝有水平尺，框架底部安裝有4個(gè)腳輪和4條可伸縮支腳，便于裝置的移動(dòng)和固定。進(jìn)水管路上依次安裝快速接頭、開(kāi)關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥、排水閥。裝置上端設(shè)置氣動(dòng)夾緊器，實(shí)現(xiàn)被檢流量計(jì)的安裝與拆卸。

圖2 可移動(dòng)浮子流量計(jì)檢定裝置Fig.2 Design drawing of movable liquid flowrate standard facility

裝置設(shè)計(jì)測(cè)量口徑范圍為DN（15～50），主管路選用DN50口徑。為保證裝置在寬流量范圍內(nèi)靈活地調(diào)節(jié)試驗(yàn)流量，在進(jìn)水管路上并聯(lián)了DN10和DN25的流量調(diào)節(jié)支路。在機(jī)械設(shè)計(jì)上，對(duì)進(jìn)、出口管道同軸度和與工作臺(tái)面的垂直度要求嚴(yán)格，可通過(guò)調(diào)節(jié)工作臺(tái)面水平保證被檢流量計(jì)的傾斜度小于2°[5]。

2 裝置的水利阻力特性研究

可移動(dòng)浮子流量計(jì)檢定裝置需借助現(xiàn)有的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置提供動(dòng)力，因此，在裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，需進(jìn)一步研究組合裝置的水利阻力特性，驗(yàn)證能否達(dá)到設(shè)計(jì)的流量范圍。

通過(guò)查閱浮子流量計(jì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[6]和產(chǎn)品手冊(cè)，確定了各口徑對(duì)應(yīng)的常見(jiàn)流量范圍，如表1所示，并針對(duì)此進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)和水利阻力特性的研究。

表1 浮子流量計(jì)各口徑常見(jiàn)流量范圍Tab.1 Usual flow range of different pipe diameter for float meter

為保證組合裝置的測(cè)量范圍能覆蓋表1中的常見(jiàn)流量范圍，需計(jì)算裝置的水利阻力并驗(yàn)證水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的動(dòng)力源能否在克服水利阻力的前提下達(dá)到常見(jiàn)的最大流量。

水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置由一臺(tái)揚(yáng)程為100 m/22 kW的立式水泵提供動(dòng)力，主標(biāo)準(zhǔn)器為60 kg和600 kg電子秤，次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為4臺(tái)口徑分別為DN50、DN15、DN6、DN2.5的電磁流量計(jì)，裝置的流通能力計(jì)算圖如圖3所示。根據(jù)設(shè)計(jì)，選通l6號(hào)管線時(shí)，流量調(diào)節(jié)范圍為（4～50）m3/h，l5號(hào)管線對(duì)應(yīng)（0.6～4）m3/h流量，l4號(hào)管線對(duì)應(yīng)（0.1～0.6）m3/h 流量，l3號(hào)管線對(duì)應(yīng)（0.03～0.1）m3/h 流量，l7號(hào)管線對(duì)應(yīng)（0.004～0.03）m3/h流量。

以DN40口徑為例計(jì)算裝置的最大水頭損失。根據(jù)試驗(yàn)流量不同，需在2種水流路徑中選擇，當(dāng)被檢浮子流量計(jì)的試驗(yàn)流量在（0.16～0.6）m3/h范圍內(nèi)時(shí)，將水流切換至l4管段，利用DN6電磁流量計(jì)指示瞬時(shí)流量，下文簡(jiǎn)稱(chēng)為路徑1；當(dāng)被檢浮子流量計(jì)的試驗(yàn)流量在（0.6～4）m3/h范圍內(nèi)時(shí)，將水流切換至l5管段，利用DN15電磁流量計(jì)指示瞬時(shí)流量，下文簡(jiǎn)稱(chēng)為路徑2。由于水頭損失與介質(zhì)流速的平方成正比，因此分別計(jì)算這2種水流路徑中0.6 m3/h和4 m3/h流量下的水頭損失作為各自路徑中的最大水頭損失。

圖3 水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置流通能力計(jì)算圖Fig.3 Flow capacity of liquid flowrate standard facility of horizontal flow field

路徑2的沿程阻力系數(shù)λi和局部阻力系數(shù)ξi如表2所示。根據(jù)式（1）和表2計(jì)算水流量試驗(yàn)裝置的水頭損失hw水為18.14 m。

可移動(dòng)浮子流量計(jì)檢定裝置檢定DN40口徑流量計(jì)時(shí)的流通能力計(jì)算圖如圖4所示，其沿程阻力系數(shù)λi和局部阻力系數(shù)ξi如表3所示。根據(jù)式（1）和表3計(jì)算可移動(dòng)浮子流量檢定裝置的水頭損失hw浮為0.35 m。裝置最大總水頭損失 hw可根據(jù)式（2）得到，即 18.49 m。

表2 路徑2中水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)Tab.2 Frictional resistant coefficient and local resistant coefficient of path 2 for liquid flowrate standard facility of horizontal flow field

圖4 可移動(dòng)浮子流量計(jì)裝置流通能力計(jì)算圖Fig.4 Flow capacity of movable liquid flowrate standard facility

用同樣的方法計(jì)算得到路徑1的裝置最大總水頭損失hw為8.67 m。可知檢定DN40口徑浮子流量計(jì)時(shí)，組合裝置的最大水頭損失為18.49 m。

根據(jù)伯努利方程，水泵出口處與換向器出口處單位質(zhì)量水的總能量相等，如式（3）所示：

式中：p泵和p換分別為泵和換向器出口處的水壓；v泵和v換分別為泵和換向器出口處的水流速；ΔH為泵口與換向器出口的垂直高度差。

式（3）可轉(zhuǎn)化為

表3 路徑2中可移動(dòng)浮子流量計(jì)檢定裝置的沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)Tab.3 Frictional resistant coefficient and local resistant coefficient of path 2 for movable liquid flowrate standard facility

式中，H0為泵的等效揚(yáng)程。為了保證組合裝置能達(dá)到設(shè)計(jì)的最大流量，須滿足式（5）：

式中：H0max為泵的最大楊程，即100 m；Hx為裝置的作用水頭，經(jīng)計(jì)算，裝置的最大作用水頭為21.59 m，滿足條件，裝置可達(dá)到預(yù)設(shè)的最大流量值。

同理，檢定各口徑流量計(jì)時(shí)，組合裝置的最大作用水頭如表4所示。經(jīng)計(jì)算，在各試驗(yàn)口徑下裝置均滿足式（5）的關(guān)系，證明裝置可達(dá)到設(shè)計(jì)的最大流量。

表4 裝置各口徑的最大作用水頭Tab.4 Efficient water head of different pipe diameter for the facility

3 裝置的不確定度分析

根據(jù)文獻(xiàn)[7]提供的裝置不確定度評(píng)定方法，靜態(tài)質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度分量主要包括計(jì)時(shí)器、衡器、換向器引入的不確定度，這三部分分量均只與水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置有關(guān)，可移動(dòng)浮子流量計(jì)檢定裝置未引入額外的不確定度分量，因此，組合裝置與水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度相同，根據(jù)中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院出具的證書(shū)，質(zhì)量流量擴(kuò)展不確定度為0.05%（k=2），而體積流量擴(kuò)展不確定度為 0.2%（k=2）。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]的要求，用于檢定浮子流量計(jì)的裝置的擴(kuò)展不確定度應(yīng)優(yōu)于被檢流量計(jì)最大允許誤差的1/2。由于浮子流量計(jì)的最高準(zhǔn)確度等級(jí)為1.0級(jí)，其最大允許誤差為1.0%，因此裝置的擴(kuò)展不確定度應(yīng)至少為0.5%，可見(jiàn)組合裝置的不確定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于此項(xiàng)指標(biāo)。

4 裝置的流量穩(wěn)定性試驗(yàn)

流量穩(wěn)定性是衡量液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置性能的重要技術(shù)指標(biāo)，該指標(biāo)的優(yōu)劣直接影響浮子流量計(jì)誤差試驗(yàn)的結(jié)果。本節(jié)將針對(duì)組合裝置進(jìn)行流量穩(wěn)定性試驗(yàn)。

根據(jù)設(shè)計(jì)加工完成可移動(dòng)浮子流量計(jì)檢定裝置，將其與水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置連接，組成如圖5所示的試驗(yàn)系統(tǒng)。

圖5 可移動(dòng)浮子流量計(jì)檢定裝置及試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Experimental system of movable liquid flowrate standard facility

根據(jù)文獻(xiàn)[7]的規(guī)定，在裝置最大流量和最小流量下進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)，并取最大值作為裝置的流量穩(wěn)定性，因此，選擇DN50口徑下的10 m3/h和DN15口徑下的0.006 m3/h作為試驗(yàn)流量點(diǎn)，分別使用600 kg和60 kg電子秤連續(xù)測(cè)量10次流量qi（i=1，2…，10），求取平均值 q，并根據(jù)式（6）計(jì)算流量穩(wěn)定性，得到10 m3/h和0.006 m3/h流量下，裝置的流量穩(wěn)定性分別為0.22%和0.28%，因此，組合裝置的流量穩(wěn)定性為0.28%，說(shuō)明裝置具有良好的流量穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種可移動(dòng)浮子流量計(jì)檢定裝置，該裝置可與水流量裝置連接，把水平流場(chǎng)轉(zhuǎn)換為由下至上的垂直流場(chǎng)，并用于浮子流量計(jì)的檢定。新裝置具有較強(qiáng)的靈活性，節(jié)省了引進(jìn)專(zhuān)用浮子流量計(jì)檢定裝置所需的高額費(fèi)用。本文針對(duì)新裝置進(jìn)行了水利阻力特性研究，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。之后加工完成了該裝置，并對(duì)組合裝置進(jìn)行了不確定度分析和穩(wěn)定性試驗(yàn)，結(jié)果表明裝置的參數(shù)特性符合要求。

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