關(guān)于飛機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)中流量計(jì)在線校準(zhǔn)技術(shù)的探討

倪君菲 柯一春 盛承勛 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

0 引言

在飛機(jī)系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)中，液體介質(zhì)流量是需要測量的重要參數(shù)之一。如在飛機(jī)電源系統(tǒng)集成試驗(yàn)中，對(duì)發(fā)電機(jī)冷卻設(shè)備管路中潤滑油流量進(jìn)行測量和監(jiān)控，往往對(duì)試驗(yàn)的正常開展起到重要作用。各類液體流量計(jì)可以測量液體介質(zhì)流量，其中流量顯示儀表顯示是流量測量的常見方式，雖然流量計(jì)一般都自帶有流量顯示，但由于其往往安裝于管路中，無法便捷觀察流量顯示值，最終還是會(huì)選擇另配流量顯示儀表以便于實(shí)時(shí)查看流量變化。

流量計(jì)按其測量原理不同，可分為多種類型，如渦輪流量計(jì)、差壓流量計(jì)、渦街流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。為實(shí)現(xiàn)流量測量，流量計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜，甚至包含有其他傳感器，如某些高精度的差壓流量計(jì)，其內(nèi)部集成了壓力傳感器、溫度傳感器、差壓變送器，進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償，通過壓力、溫度、壓差三參數(shù)測量計(jì)算得出流量值。

流量計(jì)及其流量顯示儀表傳統(tǒng)計(jì)量方式是分別拆卸后送計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室檢定/校準(zhǔn)，計(jì)量完成后再裝回原處。拆裝、檢定/校準(zhǔn)都耗費(fèi)時(shí)間，并且拆裝過程容易損壞流量計(jì)和流量顯示儀表，這種計(jì)量方法耗時(shí)費(fèi)力，還可能影響飛機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)進(jìn)度。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室檢定/校準(zhǔn)中，由于流量計(jì)的連接方式、液體介質(zhì)和流量顯示方式等因素影響同樣會(huì)給實(shí)驗(yàn)室流量計(jì)計(jì)量帶來困難。因此，隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于流量計(jì)和流量顯示儀表的計(jì)量開始逐漸傾向于現(xiàn)場在線校準(zhǔn)。

1 流量計(jì)實(shí)驗(yàn)室計(jì)量弊端分析

1.1 流量計(jì)連接方式

本期專題:民機(jī)計(jì)量與檢測

目前流量計(jì)與管路最常見的連接方式主要有螺紋接連和法蘭連接兩種，如圖1所示的橢圓齒輪流量計(jì)，其連接方式就是法蘭連接。圖2所示是齒輪流量計(jì)，其連接方式為螺紋連接。在實(shí)際流量計(jì)計(jì)量中會(huì)出現(xiàn)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置構(gòu)造和被校準(zhǔn)流量計(jì)的連接方式不匹配的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致計(jì)量困難。如上海某計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)，其計(jì)量齒輪流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)裝置在柴油介質(zhì)下只能計(jì)量法蘭連接方式的流量計(jì)，如果要計(jì)量螺紋連接方式的流量計(jì)需另外加工直管段和法蘭，無形中就提高了計(jì)量的成本，也延長了計(jì)量時(shí)間。

圖1 橢圓齒輪流量計(jì)圖

圖2 齒輪流量計(jì)圖

1.2 液體介質(zhì)

國防科技工業(yè)4113二級(jí)計(jì)量站的王俊濤、桑培勇等人利用已建立的燃油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，對(duì)渦輪流量計(jì)在航空燃油和航空潤滑油兩種不同液體介質(zhì)下進(jìn)行了性能測試和比較，發(fā)現(xiàn)渦輪流量計(jì)在兩種不同液體介質(zhì)中儀表系數(shù)不同，同時(shí)線性差別也較大。因此得出不同液體介質(zhì)粘度會(huì)對(duì)渦輪流量計(jì)測量性能產(chǎn)生較大影響[1]。

某飛機(jī)系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)中所用齒輪流量計(jì)的液體介質(zhì)是航空潤滑油，該介質(zhì)主要起潤滑和冷卻作用。目前，計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)在流量計(jì)計(jì)量時(shí)主要采用水和柴油兩種介質(zhì)，與實(shí)際使用的潤滑油在密度和黏度上都存在差異。同時(shí)對(duì)于齒輪流量計(jì)，水介質(zhì)容易造成流量計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)生銹，導(dǎo)致流量計(jì)測量精度下降，甚至損壞。

1.3 流量顯示方式

圖1所示的橢圓齒輪流量計(jì)，其自帶計(jì)數(shù)器指針顯示被測液體介質(zhì)的累積流量，同時(shí)其內(nèi)部發(fā)信器也可將被測液體介質(zhì)流量轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)輸出給流量顯示儀表，由其顯示流量值。實(shí)際使用時(shí)，由于流量計(jì)安裝在管路里，流量值讀取一般只查看流量顯示儀表的顯示值。圖2所示的齒輪流量計(jì)無自帶顯示功能，但其內(nèi)部放大器可將被測液體介質(zhì)流量轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)輸出給流量顯示儀表顯示流量值。某些計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)在計(jì)量如圖1所示的橢圓齒輪流量計(jì)時(shí)，往往讀取流量計(jì)自帶計(jì)數(shù)器的指針顯示作為流量計(jì)測量值，但是常年使用的計(jì)數(shù)器由于其內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損容易造成計(jì)數(shù)器指針走快或走慢，從而導(dǎo)致流量計(jì)測量精度下降，甚至出現(xiàn)超差的現(xiàn)象。

1.4 流量計(jì)拆卸與安裝

在飛機(jī)系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)中，液體流量計(jì)一般安裝于管道內(nèi)，同時(shí)某些位置的流量計(jì)安裝復(fù)雜，不便拆卸，拆卸過程中必然也會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)液體介質(zhì)流出，造成浪費(fèi)。一些大口徑流量計(jì)體積較大、質(zhì)量重，運(yùn)輸送檢也極為不便。

2 流量計(jì)在線校準(zhǔn)方法

針對(duì)章節(jié)1中提到的液體流量計(jì)實(shí)驗(yàn)室計(jì)量所存在的弊端，本研究提出采用比對(duì)法來對(duì)流量計(jì)開展現(xiàn)場在線校準(zhǔn)，根據(jù)流量測量原理不同，可將該方法分為稱重比對(duì)法和流量計(jì)比對(duì)法兩種。

2.1 稱重比對(duì)法

所謂稱重比對(duì)法，即是在管路中液體介質(zhì)流場穩(wěn)定的狀態(tài)下，將某段時(shí)間t內(nèi)流經(jīng)流量計(jì)的液體介質(zhì)導(dǎo)出至某一容器內(nèi)，再用電子秤對(duì)這些液體介質(zhì)進(jìn)行稱重，得到液體介質(zhì)質(zhì)量m，時(shí)間t則由電子秒表測量得到，假設(shè)液體介質(zhì)密度是ρ，則可得出：

1)流經(jīng)流量計(jì)的液體介質(zhì)質(zhì)量流量M=m/t；

2)流經(jīng)流量計(jì)的液體介質(zhì)體積流量Q=m/(ρ·t)。

將M或Q與流量顯示儀表顯示值比對(duì)即可得出被校準(zhǔn)流量計(jì)及其顯示儀表對(duì)液體介質(zhì)流量測量的示值誤差。

稱重比對(duì)法所需主要校準(zhǔn)設(shè)備見表1，這些設(shè)備須經(jīng)有資質(zhì)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定/校準(zhǔn)，計(jì)量結(jié)果符合預(yù)期使用要求且在計(jì)量有效期內(nèi)。

表1 主要校準(zhǔn)設(shè)備

稱重比對(duì)法實(shí)施的簡易圖如圖3所示。

圖3 稱重比對(duì)法實(shí)施簡易圖

稱重比對(duì)法實(shí)行必須具備以下條件：

1)管路中必須留有旁路引流口可將流經(jīng)流量計(jì)的液體介質(zhì)導(dǎo)出至容器中；

2)如需得到體積流量Q需事先了解液體介質(zhì)的密度或用密度計(jì)現(xiàn)場測量得到。

稱重比對(duì)法操作簡單，計(jì)算方便，但其實(shí)條件相對(duì)苛刻，同時(shí)時(shí)間t由人工根據(jù)電子秒表得到，容易帶入人為誤差，從而導(dǎo)致質(zhì)量流量M和體積流量Q計(jì)算不準(zhǔn)確。

2.2 流量計(jì)比對(duì)法

流量計(jì)比對(duì)法是被校準(zhǔn)流量計(jì)與更高精度流量計(jì)同時(shí)對(duì)液體介質(zhì)進(jìn)行流量測量，測量結(jié)果進(jìn)行相互比對(duì)得出被校準(zhǔn)流量計(jì)及其顯示儀表對(duì)液體介質(zhì)流量測量的示值誤差，例如在管路里接入更高精度的流量計(jì)、管路外夾裝臨時(shí)超聲波流量計(jì)等。

2.2.1 管路里接入高精度流量計(jì)比對(duì)法

流量計(jì)比對(duì)法中常用的一種方法是在被校準(zhǔn)流量計(jì)管路中接入更高精度流量計(jì)，以該流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，與被校準(zhǔn)流量計(jì)同時(shí)測量液體介質(zhì)流量，測量結(jié)果進(jìn)行相互比對(duì)得出被校準(zhǔn)流量計(jì)及其顯示儀表對(duì)液體介質(zhì)流量測量的示值誤差。

該方法所用主要校準(zhǔn)設(shè)備見表2，接入的高精度流量計(jì)應(yīng)經(jīng)有資質(zhì)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定/校準(zhǔn)，計(jì)量結(jié)果符合預(yù)期使用要求且在計(jì)量有效期內(nèi)。

表2 主要校準(zhǔn)設(shè)備

該方法的原理框圖如圖4所示：

圖4 管路里接入高精度流量計(jì)比對(duì)法原理框圖

該方法目前已運(yùn)用到某型號(hào)飛機(jī)系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)的流量計(jì)計(jì)量中，其操作簡單方便，可直接得到液體介質(zhì)質(zhì)量流量M或體積流量Q，無需換算。同時(shí)該方法實(shí)行需具備一個(gè)重要條件：管路需留有接口可讓高精度流量計(jì)接入到管路中，必要時(shí)需要加工相關(guān)配件，如用于接入高精度流量計(jì)的管路等。

2.2.2 超聲波流量計(jì)比對(duì)法

超聲波流量計(jì)用于流量計(jì)在線校準(zhǔn)的主要方法為時(shí)差法[2]，它是聲波在液體介質(zhì)中傳播，由于受到液體介質(zhì)順流、逆流影響，傳輸會(huì)出現(xiàn)時(shí)間差，通過推算這個(gè)時(shí)間差與液體介質(zhì)流速存在的換算關(guān)系，進(jìn)而得到液體介質(zhì)的流量。通常認(rèn)為聲波在流體中的實(shí)際傳播速度是由介質(zhì)靜止?fàn)顟B(tài)下聲波的傳播速度(cf)和流體軸向平均速度(vm) 在聲波傳播方向上的分量組成。按圖5，順流和逆流傳播時(shí)間與各量之間的關(guān)系如式(1)和式(2)所示[3]：

圖5 超聲波在流體中傳輸各量示意圖

(1)

(2)

式中：

tup——超聲波在流體中逆流傳播的時(shí)間；

tdown——超聲波在流體中順流傳播的時(shí)間；

L——聲道長度；

cf——聲波在流體中傳播的速度；

vm——流體的軸向平均流速；

φ——聲道角。

利用式(1)和式(2)即可得到液體介質(zhì)軸向平均流速如式(3)所示：

(3)

將式(3)得到的vm乘以管道橫截面即可得到液體介質(zhì)的體積流量。

按超聲波流量計(jì)使用說明書要求，將其安裝于被校準(zhǔn)流量計(jì)管路上。把超聲波流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，與被校準(zhǔn)流量計(jì)同時(shí)測量液體介質(zhì)流量，測量結(jié)果進(jìn)行相互比對(duì)得出被校準(zhǔn)流量計(jì)及其顯示儀表對(duì)液體介質(zhì)流量測量的示值誤差。該方法原理框圖與圖4相同。

該方法所用主要校準(zhǔn)設(shè)備見表3。所用超聲波流量計(jì)應(yīng)經(jīng)有資質(zhì)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定/校準(zhǔn)，計(jì)量結(jié)果符合預(yù)期使用要求且在計(jì)量有效期內(nèi)。

表3 主要校準(zhǔn)設(shè)備

超聲波流量計(jì)比對(duì)法在流量計(jì)在線校準(zhǔn)中有其不可替代的優(yōu)勢(shì)：超聲波流量計(jì)體積小，便于攜帶，安裝相對(duì)方便；適用范圍廣，可用于各種類型流量計(jì)的在線比對(duì)；適應(yīng)性強(qiáng)，可用于不同管徑，不同介質(zhì)的比對(duì)[4]。但是，目前便攜式超聲波流量計(jì)精度一般在±0.5%左右，無法校準(zhǔn)高精度的流量計(jì)。同時(shí)超聲波流量計(jì)受制于其自身測量方式，其測量精度還受以下幾方面影響：

1)超聲波流量計(jì)安裝距離。一般情況下，安裝距離應(yīng)根據(jù)上下游位置的不同來確定：在上游，應(yīng)選擇大于10倍直管徑的位置；在下游，應(yīng)選擇5倍直管徑以內(nèi)沒有彎頭、閥門等材質(zhì)均勻的直管段。此外，安裝的地點(diǎn)應(yīng)盡量避開高壓電、變頻器等主要干擾物，且直管段的長度應(yīng)盡量加長，這樣更有利于消除各種不利因素[5]。

2)管道要求。在超聲波流量計(jì)上、下游直管段范圍內(nèi)，管道內(nèi)壁應(yīng)清潔，無明顯凹痕、銹蝕、結(jié)垢等現(xiàn)象。

3)需事先了解管道直徑、管道壁厚等參數(shù)或現(xiàn)場用卷尺、測厚儀等量具多次測量取平均值得到。對(duì)無法測量的參數(shù)，如管道材質(zhì)、襯里材料等，根據(jù)技術(shù)資料查明并確認(rèn)[6]。

4)確認(rèn)校準(zhǔn)環(huán)境條件。比如現(xiàn)場的溫度、濕度、外磁場及機(jī)械振動(dòng)等,應(yīng)小到對(duì)被校準(zhǔn)流量計(jì)和超聲波流量計(jì)的影響忽略不計(jì)。同時(shí)應(yīng)確認(rèn)管道內(nèi)為單相穩(wěn)定流、滿管流且不含氣泡[7]。

3 結(jié)論與展望

液體流量計(jì)現(xiàn)場在線校準(zhǔn)既避免了其傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室計(jì)量所存在的弊端，又可以解決因多種原因?qū)е铝髁坑?jì)難以拆卸送檢計(jì)量的難題。在保證流量計(jì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上，提高了工作效率，節(jié)省了時(shí)間，在緊張的飛機(jī)系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)進(jìn)程中，必將對(duì)保證試驗(yàn)的質(zhì)量和試驗(yàn)的節(jié)點(diǎn)發(fā)揮重要作用。

在線校準(zhǔn)是計(jì)量技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。一方面，隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的不斷發(fā)展，將會(huì)有更多高端測試設(shè)備、測量方法出現(xiàn)，如更高精度的超聲波流量計(jì)的產(chǎn)生。另一方面，應(yīng)積極推進(jìn)“可計(jì)量性”、“可檢測性”理念的發(fā)展，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研制階段就能考慮產(chǎn)品的可計(jì)量性，為后續(xù)產(chǎn)品周期計(jì)量奠定基礎(chǔ)。