某液體微小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)及建立

劉 巖

（國(guó)防科技工業(yè)4113 二級(jí)計(jì)量站，河南 新鄉(xiāng) 453049）

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試參數(shù)中，燃油流量是評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)中，流量測(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性及模擬試驗(yàn)的成功和有效性有著至關(guān)重要的影響。航空動(dòng)力控制系統(tǒng)中各種活門的性能測(cè)試也越來越多地需要高精度微小流量傳感器。目前，國(guó)防及民用領(lǐng)域能夠開展檢定或校準(zhǔn)工作的燃油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的測(cè)量范圍均無法滿足這些流量計(jì)的全量程測(cè)量。因此，本項(xiàng)目需求迫切，經(jīng)濟(jì)和軍事效益顯著。初步將裝置性能指標(biāo)定為流量范圍（0.02～100）L/min，擴(kuò)展不確定度0.1%，k=2。

1 裝置原理

本裝置基本原理結(jié)構(gòu)如圖1 所示。主油箱負(fù)責(zé)存儲(chǔ)工作液體，泵組負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)動(dòng)力，換向系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制工作液體在稱重系統(tǒng)和旁路系統(tǒng)之間的快速切換，稱重系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集測(cè)量時(shí)間內(nèi)流入稱重油箱的工作液體的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量。同步計(jì)時(shí)系統(tǒng)由換向系統(tǒng)觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的稱重時(shí)間記錄和采集。

圖1 裝置原理圖

標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量：

標(biāo)準(zhǔn)體積流量qv通過換算即可得到

式中：m 為工作液體質(zhì)量，kg；

t 為檢定時(shí)間，s；

ρ 為修正后的工作液體密度，kg/m3。

通過比較被校流量計(jì)的指示流量q 和標(biāo)準(zhǔn)流量qv，可得出被校流量計(jì)的誤差，也可以通過公式計(jì)算出被校流量計(jì)的系數(shù)K、線性度等參數(shù)，以得到檢定校準(zhǔn)的結(jié)果。

2 裝置構(gòu)成

2.1 微小流量源系統(tǒng)

本項(xiàng)目選用CDL4-8 立式不銹鋼多級(jí)離心泵，在0.4 MPa 壓力環(huán)境下其理論流量可達(dá)100 L/min。多級(jí)離心泵采用立式結(jié)構(gòu)，具有占地面積小、運(yùn)行平穩(wěn)、震動(dòng)小、高效節(jié)能、外形美觀等特點(diǎn)。泵進(jìn)出口口徑相同且同心對(duì)稱，方便安裝在管道的任何部位。

系統(tǒng)流量的粗調(diào)是通過使用變頻控制器和調(diào)節(jié)器調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的。主管道設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥和微調(diào)分流閥，能夠精確調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量并最終將系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)到所需的流量。從而連續(xù)精確地調(diào)節(jié)和控制裝置的流量。

2.2 精密換向和稱重系統(tǒng)

稱重?fù)Q向系統(tǒng)由精密稱重系統(tǒng)、微型精密換向系統(tǒng)、多功能計(jì)數(shù)器、信號(hào)同步控制器、光電發(fā)生器及稱重箱等機(jī)構(gòu)組成。

稱重系統(tǒng)選用兩套電子天平組成兩個(gè)稱重臺(tái)位以適應(yīng)本設(shè)備較寬的流量范圍，具體性能指標(biāo)見表1。

由表1 可知所選兩臺(tái)電子天平可以滿足裝置（0.02～100）L/min 流量范圍的設(shè)計(jì)需求。

表1 電子天平詳細(xì)參數(shù)

6 200 g 稱重油箱在進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)比較后，采用了塑料輕質(zhì)容器，極大地減少了皮重和附加質(zhì)量，采用電動(dòng)的方式放油；40 kg 稱重油箱采用定制的特殊結(jié)構(gòu)的超薄不銹鋼水箱，采用氣動(dòng)的方式放油。

換向系統(tǒng)采用一DN15 氣動(dòng)閉式換向器和一DN5開式換向器，實(shí)現(xiàn)液體的快速精準(zhǔn)換向。大臺(tái)位使用閉式換向器可以有效避免大流量時(shí)液體的飛濺，小臺(tái)位使用開式換向器換向時(shí)間短、行程時(shí)間差短可以減少在微小流量時(shí)所引入的誤差。利用我站已掌握的換向調(diào)節(jié)的專利技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)換向時(shí)間和換向精度的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，提高換向系統(tǒng)和整個(gè)臺(tái)位的精度。換向計(jì)時(shí)信號(hào)采用電磁閥控制信號(hào)同時(shí)觸發(fā)，能有效保障換向系統(tǒng)的精準(zhǔn)和同步。

2.3 流量計(jì)串接式夾裝臺(tái)

流量計(jì)在安裝使用時(shí)一般都有前后直管段的要求，故在計(jì)量檢定時(shí)我們滿足這些條件，本項(xiàng)目在DN15 手動(dòng)夾表器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一串接式夾裝系統(tǒng)在滿足流量計(jì)檢定要求的基礎(chǔ)上，使用合理的布局，便捷的安裝方式，實(shí)現(xiàn)多塊流量計(jì)串接，可同時(shí)檢定最多四塊同口徑流量計(jì)，大大增加實(shí)驗(yàn)效率。

2.4 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)為上、下位機(jī)兩層結(jié)構(gòu)。上位機(jī)采用PC工控機(jī)，數(shù)據(jù)處理、文件管理、結(jié)果的記錄和打印等功能；下位機(jī)由數(shù)據(jù)采集模塊、I/O 通訊模塊和邏輯控制模塊構(gòu)成，用于各種信號(hào)的接收，與PC 工控機(jī)采用RS232 通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和功能控制。

裝置軟件具有狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)置參數(shù)、控制校準(zhǔn)、處理數(shù)據(jù)及管理文檔等功能。裝置軟件的工作流程如圖2 所示，首先選擇計(jì)量檢定規(guī)程，在對(duì)流量計(jì)或流量?jī)x表的檢定、校準(zhǔn)工作后，遵照規(guī)程進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，最后生成原始記錄存檔并打印證書。

圖2 軟件流程示意圖

系統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)軟件由VC++平臺(tái)開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集處理和報(bào)表打印。整個(gè)系統(tǒng)的工作情況直觀地顯示在一個(gè)界面上，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，滿足系統(tǒng)需求，使用方便的同時(shí)具有很好的可移植性，能夠在同類裝置中推廣。

3 不確定度分析

3.1 數(shù)學(xué)模型

質(zhì)量法裝置累積質(zhì)量流量為

式中：Qm為質(zhì)量流量的累積量，kg；

m 為液體在測(cè)量時(shí)間內(nèi)進(jìn)入稱量容器內(nèi)質(zhì)量，kg；

Cf為空氣浮力的修正系數(shù)。

式中：ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；

ρm為檢定時(shí)衡器的標(biāo)準(zhǔn)砝碼密度，kg/m3；

ρ 為檢定時(shí)液體密度，kg/m3（修正后）。

質(zhì)量法裝置瞬時(shí)質(zhì)量流量為

式中：qm為瞬時(shí)質(zhì)量流量，kg/s；

t 為測(cè)量時(shí)間，s；

質(zhì)量流量與體積流量的換算關(guān)系為

3.2 裝置的不確定度評(píng)定

參考國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 164—2000《液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置》的有關(guān)規(guī)定，該裝置不確定度由以下幾個(gè)分量組成。

3.2.1 計(jì)時(shí)器引入的不確定度

將計(jì)時(shí)器和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)器連接，同步二者計(jì)時(shí)的啟、停信號(hào)。檢定的時(shí)間間隔取裝置使用的最短測(cè)量時(shí)間tmin（s），啟、停計(jì)時(shí)器，分別讀取計(jì)時(shí)器值ti（s）和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)器值t0i（s），即為1 次檢定過程。共需重復(fù)n（n≥10）次檢定。

第i 次差值：△ti=ti-t0i。

A 類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

B 類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 計(jì)時(shí)器檢定數(shù)據(jù)

A 類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：s1=0.0035%，

B 類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：u1=0.0015%。

3.2.2 衡器引入的不確定度

由于稱重系統(tǒng)測(cè)試不受介質(zhì)溫度、壓力及流量等因素影響，因此稱重系統(tǒng)測(cè)試在設(shè)備相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行。在每個(gè)稱重臺(tái)位的量程范圍內(nèi)均勻分布10 個(gè)檢定點(diǎn)，用標(biāo)準(zhǔn)砝碼從j=1 逐步加載到j(luò)=10 為第一次檢定，再?gòu)膉=10 逐步卸載到j(luò)=1 為第二次檢定。記錄加載的標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量、卸載的標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量、電子秤的讀數(shù)Rm以及空載時(shí)電子秤讀數(shù)的平均值R0，分別計(jì)算出各測(cè)試點(diǎn)的不確定度。

A 類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

B 類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

式中：△mi為在負(fù)載（mj+R0）時(shí)，第i 次測(cè)量的差值，△mi=Rmi-（mj+R0），kg；△m 為第j 點(diǎn)的平均值，kg；mj為第j 點(diǎn)砝碼的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量，kg；Rmi為質(zhì)量mi的標(biāo)準(zhǔn)砝碼第i 次檢定時(shí)電子秤的示值，kg。

具體數(shù)據(jù)見表3、表4。

表3 6 200 g 電子天平數(shù)據(jù)（R0=1 000 g）

表4 40 kg 電子天平數(shù)據(jù)（R0=0 kg）

取不確定度最大值作為最終結(jié)果。

A 類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：s2=0.042%。

B 類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：u2=0.016%。

3.2.3 換向器引入的不確定度

采用行程差法進(jìn)行檢定：將設(shè)備流量調(diào)到所需的流量附近，在穩(wěn)定循環(huán)10 min 后，使換向器在旁路和稱重箱之間連續(xù)換向，分別記錄換入和換出時(shí)間，往復(fù)進(jìn)行10 次。

A 類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

B 類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

式中：tmin為標(biāo)準(zhǔn)裝置最短測(cè)量時(shí)間，s；t1i為第i 次換入時(shí)間，s；t2i為第i 次換出時(shí)間，s；t1和t2分別為n 次t1i和t2i的平均值，s。

具體數(shù)據(jù)見表5、表6。

表5 6 200 g 小臺(tái)位數(shù)據(jù)

表6 40 kg 大臺(tái)位數(shù)據(jù)

取不確定度最大值作為最終結(jié)果。

A 類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：s3=0.0022%，

B 類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：u3=0.0037%。

3.3 裝置的不確定度評(píng)定結(jié)果

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

裝置擴(kuò)展不確定度：U=0.091%（k=2）。

4 結(jié)論

本文介紹了裝置的靜態(tài)質(zhì)量法的測(cè)量原理，并從精密稱重系統(tǒng)、換向計(jì)時(shí)系統(tǒng)、微小流量源系統(tǒng)、流量計(jì)串接式夾裝系統(tǒng)及測(cè)控系統(tǒng)幾個(gè)方面介紹了裝置主要研究?jī)?nèi)容的技術(shù)方案。對(duì)裝置整體不確定度的組成進(jìn)行分析及檢定測(cè)試，最終得出結(jié)論本裝置的擴(kuò)展不確定度為0.091%（k=2），滿足提出的所有技術(shù)指標(biāo)。