主動(dòng)柱塞式液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置及實(shí)驗(yàn)研究

(1.浙江大學(xué)海洋學(xué)院， 浙江舟山 316021； 2.浙江大學(xué)舟山海洋研究中心， 浙江舟山 316021；3.液化空氣(中國(guó))投資有限公司， 上海 200120)

引言

活塞式液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、計(jì)量精度高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外計(jì)量機(jī)構(gòu)研制了多種結(jié)構(gòu)及尺寸的活塞式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[1]。美國(guó)NIST研制出了一套缸體有效容積為2 L，校準(zhǔn)流量范圍為190～5700 mL/min，測(cè)量擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.01(k=2)的被動(dòng)式活塞液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，可用來實(shí)現(xiàn)對(duì)碳?xì)浠衔镆后w流量計(jì)的檢定[2]；臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院研制出一種流量下限低至10 nL/min，流量測(cè)量不確定度范圍在0.5%～3.0%之間的活塞式微流校準(zhǔn)器，這大大提高了微小流量計(jì)在生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的計(jì)量精度；浙江省計(jì)量科學(xué)研究院針對(duì)輸液泵檢定儀等檢定需求研制了不同規(guī)格的液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[3]。

本研究以某計(jì)量院檢定需求為依托，針對(duì)小流量?jī)x表業(yè)務(wù)量大、精度要求高等特點(diǎn)，提出了一種采用柱塞作為標(biāo)準(zhǔn)器的方案，結(jié)合高精度滾珠絲桿及伺服電機(jī)等控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了小流量?jī)x表的快速、自動(dòng)、高精度檢測(cè)。

1 裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 裝置的結(jié)構(gòu)

裝置采用電機(jī)-標(biāo)準(zhǔn)容積缸的結(jié)構(gòu)形式(如圖1所示)，主要包括標(biāo)準(zhǔn)體積管系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)4個(gè)部分。

圖1 裝置原理圖

標(biāo)準(zhǔn)體積管是裝置的核心標(biāo)準(zhǔn)器，由柱塞缸、柱塞及密封件等零部件組成。柱塞缸入口側(cè)連接補(bǔ)水管道，出口側(cè)連接實(shí)驗(yàn)管道，柱塞缸的補(bǔ)水及流量輸出切換通過氣控閥門控制。柱塞選用柱形結(jié)構(gòu)，裝置以柱塞的外徑作為計(jì)量基準(zhǔn)，根據(jù)裝置流量大小，選擇合適的柱塞尺寸。缸體頂部配備1個(gè)密封圈座，柱塞與缸體間采用O形圈進(jìn)行密封，由于裝置選擇立式安裝結(jié)構(gòu)，柱塞與密封件之間的受力均勻，密封效果好[4]。

動(dòng)力系統(tǒng)包括伺服電機(jī)機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中，伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、滾珠絲桿采用標(biāo)準(zhǔn)成品進(jìn)行集成。伺服電機(jī)本身自帶編碼器，具備發(fā)出脈沖的功能，可以實(shí)現(xiàn)精確定位。滾珠絲桿作為裝置的直線驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元，由螺桿、螺母和滾珠組成[5-7]。

測(cè)量系統(tǒng)主要包括位移測(cè)量單元、時(shí)間測(cè)量單元、溫度和壓力數(shù)據(jù)采集單元3個(gè)部分。位移量的測(cè)量由編碼器及絲桿配合完成，編碼器將絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)以脈沖的形式記錄，結(jié)合絲桿的導(dǎo)程參數(shù)，從而計(jì)算得到柱塞位移值。時(shí)間測(cè)量由下位機(jī)PLC毫秒定時(shí)器來完成，在測(cè)量位移的同時(shí)，執(zhí)行定時(shí)器指令啟動(dòng)定時(shí)，每1 ms觸發(fā)一次定時(shí)中斷，待裝置測(cè)量結(jié)束，讀取存貯器內(nèi)中斷次數(shù)，得到測(cè)量時(shí)間間隔。在柱塞缸上下游安裝溫度變送器和壓力變送器以獲的流體溫度、壓力，可對(duì)計(jì)量柱塞排出的流量進(jìn)行溫度壓力修正[8]。

控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)電機(jī)動(dòng)作的執(zhí)行、電磁閥與流量調(diào)節(jié)閥的開啟/關(guān)閉，主要采集閥門開關(guān)狀態(tài)、溫度壓力變送器、流量計(jì)脈沖等信號(hào)。

表1是設(shè)計(jì)柱塞式液體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置所依據(jù)的主要參數(shù)。

表1 柱塞裝置主要參數(shù)

1.2 裝置的原理

裝置工作時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿組件旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)柱塞沿缸體軸線作勻速直線運(yùn)動(dòng)，排出或吸入流體。依據(jù)質(zhì)量守恒定律可知，柱塞被檢流量計(jì)的示值與柱塞裝置的標(biāo)準(zhǔn)示值進(jìn)行比較，得到流量計(jì)的示值誤差，也可以計(jì)算被檢流量計(jì)的系數(shù)、線性度及重復(fù)性等參數(shù)，從而達(dá)到校準(zhǔn)流量計(jì)的目的。

2 不確定度評(píng)定

2.1 裝置數(shù)學(xué)模型

柱塞式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用“動(dòng)態(tài)位移-時(shí)間法”原理，基于流體連續(xù)性方程，對(duì)容積和時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，從而得到瞬時(shí)體積流量。

qv=S·L·fT1·fT2·fp·(1+α)/t

(1)

其中：

S=πD2/4

(2)

L=pL·f/fL

(3)

fT1=1+βm(Tm-20)

(4)

fT2=1+βL(TL-20)

(5)

(6)

綜上得到：

(7)

式中,qv—— 標(biāo)準(zhǔn)裝置產(chǎn)生的瞬時(shí)體積流量，L/h

S—— 柱塞外截面積，mm2

L—— 柱塞位移，mm

fT1—— 流體溫度修正因子

fT2—— 流體壓力修正因子

fp—— 絲桿溫度修正因子

α—— 泄漏因子

t—— 檢定時(shí)間，h

D—— 20 ℃時(shí)柱塞的直徑，mm

pL—— 絲桿螺距，mm

βm，βL—— 柱塞體材質(zhì)，絲桿材質(zhì)的體膨脹系數(shù)，℃-1

Tm，TL—— 柱塞溫度(用缸體內(nèi)水溫代替)和絲桿所處的環(huán)境溫度，℃

pem—— 柱塞缸內(nèi)液體的表壓力，Pa

E—— 柱塞的彈性模量，Pa

f—— 伺服電機(jī)發(fā)出與預(yù)定行程對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)

fL—— 伺服電機(jī)每pL發(fā)出的脈沖數(shù)

2.2 不確定度分量評(píng)定

由式(7)分析可得，影響流量測(cè)量不確定度的分量有：

(1) 柱塞外徑引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(D)；

(2) 柱塞材質(zhì)體膨脹系數(shù)引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(βm)；

(3) 柱塞溫度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(Tm)；

(4) 液體壓力引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(pem)；

(5) 柱塞材質(zhì)彈性模量引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(E)；

(6) 絲桿螺距精度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(pL)；

(7) 環(huán)境溫度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(TL)；

(8) 絲桿材質(zhì)體膨脹系數(shù)引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(βL)；

(9) 漏失量引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(α)；

(10) 測(cè)量時(shí)間引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(t)；

(11) 裝置重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(V)。

以上11個(gè)分量相互獨(dú)立，各個(gè)分量是乘積的形式，qv的相對(duì)合成不確定度為[9]：

(8)

(9)

2.3 不確定度合成

綜合分析可得，qv的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(10)

取包含因子k=2，擴(kuò)展不確定度為：

Ur(qv)=2×0.031%=0.062%

(11)

裝置流量測(cè)量不確定度評(píng)定如表2所示。

表2中的數(shù)據(jù)表明：裝置的測(cè)量不確定度主要由柱塞直徑、裝置重復(fù)性兩個(gè)因素引起。根據(jù)上述計(jì)算可知，本裝置的擴(kuò)展不確定度為0.062%(k=2)，滿足“擴(kuò)展不確定度應(yīng)優(yōu)于0.1%”的技術(shù)指標(biāo)要求。

3 結(jié)果與分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)容積的校準(zhǔn)結(jié)果

裝置的三維外形如圖2所示。

1.電機(jī)支架 2.固定環(huán) 3.水箱 4.柱塞缸 5.腳輪 6.電氣控制柜 7.平臺(tái)架 8.隱形支架 9.柱塞 10.直線軸承 11.聯(lián)軸器 12.減速機(jī) 13.伺服電機(jī)圖2 裝置實(shí)物圖

裝置加工完成后，以電子天平作為標(biāo)準(zhǔn)器，采用質(zhì)量法對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)容積進(jìn)行校準(zhǔn)[10]。校準(zhǔn)時(shí)，將柱塞按有效行程范圍等體積分成5段，液體注入柱塞缸體內(nèi)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置排出液體，用電子天平稱量后，換算成柱塞裝置的標(biāo)準(zhǔn)容積。結(jié)果如表3所示。

表2 柱塞裝置不確定度分析表

表3 容積校準(zhǔn)結(jié)果

由校準(zhǔn)結(jié)果可知，裝置重復(fù)性優(yōu)于0.012%，根據(jù)JJG 209-2010《體積管檢定規(guī)程》中5.1規(guī)定的“體積管的重復(fù)性應(yīng)優(yōu)于0.02%”，表明裝置的重復(fù)性良好，符合技術(shù)指標(biāo)[11]。

3.2 穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

流量穩(wěn)定性是液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置性能的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)流場(chǎng)變化較為敏感的流量?jī)x表在測(cè)試分析時(shí)尤其要求裝置具有良好的穩(wěn)定性[12]。該裝置典型流量點(diǎn)的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果如表4所示。

由測(cè)試結(jié)果可知，該標(biāo)準(zhǔn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的流量輸出，此外，在小流量的條件下，流量穩(wěn)定性出現(xiàn)了一定程度的下降，初步分析主要原因有：

表4 穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果表

(1) 伺服電機(jī)低速工況下旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性有所下降；

(2) 柱塞缸內(nèi)多個(gè)密封元件在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦阻力增大，且有一定波動(dòng)。使得柱塞低速運(yùn)動(dòng)時(shí)平滑性變差，這也是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制中所要關(guān)注的重要環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論

基于主動(dòng)柱塞式的工作原理，開發(fā)了一套不確定度優(yōu)于0.062%(k=2)的主動(dòng)柱塞式液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。采用形狀規(guī)則均勻的柱形柱塞作為運(yùn)動(dòng)部件，通過控制柱塞勻速運(yùn)動(dòng)等量置換出缸內(nèi)液體來實(shí)現(xiàn)計(jì)量功能。測(cè)試流量范圍為20～2000 L/h,檢定介質(zhì)為水，該裝置可以用于小流量水表的檢定校準(zhǔn)，克服了傳統(tǒng)液體流量裝置檢測(cè)周期長(zhǎng)、檢測(cè)結(jié)束才能給出標(biāo)準(zhǔn)值的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)流量時(shí)間法的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，具有高效、高精度的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的裝置重復(fù)性優(yōu)于0.02%。