（控制理论与控制工程专业论文）高效组合式水流量标准装置的研究与设计.pdf

摘要 流量标准装置是流量单位量值统一与传递的标准，同时也被广泛用作流量仪 表的实验装置，它的研究和应用是流量计量和测试技术发展的重要环节。 对于流量计制造企业，有大量仪表检定工作和新产品研制过程中的实验工 作，不仅要求流量标准装置有足够的准确度和可靠性，还希望能有比较高的检定 效率。本论文针对工业应用场合的特点，研究并设计了一套“高效组合式”水流 量标准装置。该装置具有检定效率高、成本低和自动化程度高的特点，可以实现 各种速度式流量计的检定与实验研究。 该装胃采用本沦文提出的“高效组合式”结构。这种结构从系统规模和不确 定度合成两方面将静态质量法和标准表法进行了合理的搭配，实现了标准表的在 线检定，并且在不降低测量准确度的基础上减小了称重部分的规模，可以显著降 低装置的建设成本。 本装置的控制子系统采用组态软件 t c g s 5 5 ( h t o n i t o ra n dc o n t r o l g e n e r a t e ds y s t e m ，通用监控系统) 编程实现，可以实现流量装置检定、多种仪 表检定、数据存储、历史数据查询、报表打印等多种功能。它的图形化且具有动 画效果的操作界面使得装置的使用更加容易，自动化的检定过程减少了操作人员 的工作强度。结合v is u a b a s i c6 0 ，本课题成功地解决了m c g s 的实时性问题， 保证了测量的精度。 本课题研究了变频调速技术在水流量标准装簧上的应用。作者采用“变频循 环模式”构建了本装置的变频调速系统，在整个检定流量范围内实现了流量调节 过程的变频控制。在此基础上，作者又进一步提出了节能效果更好的“多变频器 调速系统”设计方案。 目前，在本装置上已经检定了3 0 0 多台流量计，从运行的情况和实验数据来 看，装置的各项技术指标均达到了设计要求，证明了“高效组合式”水流量标准 装置的设计方案是合理的。 关键词：流量测量高效组合式水流量标准装置静态质量法 标准表法 组态软件变频调速 a b s t r a c t t h ef l o wr a t es t a n d a r df a c i l i t yn o to n l yi st h er e f e r e n c eo fu n i f y i n ga n dt r a n s f e r r i n g t h ef l o wr a t eu n i t ，b u ta l s oi sw i d e l yu s e da st h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e t h er e s e a r c h a n da p p l i c a t i o no f i ti sa ni m p o r t a n t p a r to f t h ed e v e l o p m e n to f f l o wr a t em e a s u r e m e n t a n dt e s tt e c h n o l o g y t h e r ea r ea1 0 to fw o r k so nm e t e rc a l i b r a t i o n ，a n dt e s tt a s k sd u r i n gn e wp r o d u c t d e v e l o p m e n ti nt h ec o m p a n yo ff l o wm e t e r sm a n u f a c t u r e s o ，t h ef l o wr a t es t a n d a r d f a c i l i t ys h o u l db en o to n l ye n o u g hi na c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y , b u ta l s oi ts h o u l db e e f f i c i e n t i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n d u s t r i a la p p l i c a t i o nf i e l d s a ne f f i c i e n t c o m b i n a t i o nt y p ew a t e rf l o wr a t es t a n d a r df a c i l i t yi sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e di nt h i s t h e s i s w i t ht h en a t u r eo fh i 曲e f f i c i e n c y , s m a l lc o s ta n dh i g hd e g r e ea u t o m a t i o n ，t h i s f a c i l i t yi sa b l et oc a l i b r a t eo rt e s td i f f e r e n tv a r i e t i e sv e l o c i t yt y p ef l o wm e t e r s n l es t r u c t u r eo fe f f i c i e n tc o m b i n a t i o nt y p ei sp u tf o r w a r di nt h i sf a c i l i t y a r e a s o n a b l ec o l l o c a t i o no ft h es t a t i cw e i g h tm e t h o da n dt h em a s t e rm e t e rm e t h o di s m a d eb yt h i ss t r u c t u r ef r o mt h ep o i n t so fs y s t e ms c a l ea n du n c e r t a i n t ys y n t h e s i s ，a sa r e s u l t ，t h eo n 1 i n ec a l i b r a t i o no ft h em a s t e rm e t e ri sr e a l i z e d ，w i t hs a n l ea c c u r a c yo f m e a s u r e m e n tt h es c a l eo ft h ew e i g h tp a r ti sr e d u c e d ，t h et o t a lc o s to ft h ef a c i l i t yi s d e c r e a s e da l s o t h ec o n t r o ls u b s y s t e mo ft h i s f a c i l i t yi sd e v e l o p e db ym c g s 5 ，5 ( m o n i t o ra n d c o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m ) w h i c hc o m p l e t e sm a n yf u n c t i o n ss u c ha st h ec a l i b r a t i o n s o ff l o wr a t ef a c i l i t ys e l fa n dv a r i e dt y p e sf l o wm e t e r , d a t as a v e ，i n q u i r yo fh i s t o r i c d a t a ，r e p o r ta n dp r i n t ，a n ds oo n t h eg r a p h i ci n t e r f a c ew i t he f f e c to fa n i m a t i o nm a k e s t h eo p e r a t i o no ft h i sf a c i l i t yi se a s i er t h eh a r d n e s so fo p e r a t o r sw o r kh a sb e e n r e d u c e dw i t ht h ea u t o m a t i cp r o c e s so fc a l i b r a t i o n c o m b i n e dt h ev i s u a lb a s i c6 0 ，t h e p r o b l e mo fr e a l - t i m em e a s u r e m e n tf o rm c g si ss o l v e d ，a sar e s u l t ，t h ea c c u r a c yo f m e a s u r e m e n ti sa s s u r e d t h ea p p l i c a t i o no ft h ec o n v e r t - f r e q u e n c yt e c h n o l o g yi ns t a n d a r df l o wr a t ei ss t u d i e d i nt h i st h e s i s t h ec o n v e r t f r e q u e n c yv e l o c i t yr e g u l a t i o ns u b s y s t e mo ft h ef a c i l i t yi s d e v e l o p e db yt h em o d eo fc o n v e r t f r e q u e n c yl o o p ，a n dt h ec o n v e r t - f r e q u e n c yc o n t r o l o f t h ef l o wr a t er e g u l a t i o ni sr e a l i z e di nw h o l er a n g eo f c a l i b r a t i o nf l o wr a t e b a s e do i l t h i s ，t h ed e s i g ns c h e m eo fm u t i c o n v e n e rv e l o c i t yr e g u l a t i o ns y s t e mi sp u tf o r w a r d ， w h i c hi sw i t hb e t t e re f f e c to f e n e r g yc o n s e r v m i o n n o w , 3 0 0o rm o r et h a nf l o w m e t e r sh a v eb e e nc a l i b r a t e do nt h i s f a c i l i t y i ti s c o n f i r m e db yt h eo p e r a t i o ns t a t u sa n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t at h a te v e r yt e c h n o l o g y c r i t e r i o nh a sr e a c h e dt h e d e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n d t h es c h e m eo fe f f i c i e n t c o m b i n a t i o nt y p ew a t e rf l o wr a t es t a n d a r df a c i l i t yi sr e a s o n a b l e k e yw o r d s ：f l o wm e a s u r e m e n t ；e f f i c i e n tc o m b i n a t i o nt y p ew a t e rf l o wr a t e s t a n d a r df a c i l i t y ；s t a t i cw e i g h tm e t h o d ；m a s t e rm e t e rm e t h o d ；c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e ；c o n v e r t f r e q u e n c yv e l o c i t yr e g u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得：盘洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弓乒老 签字日期：伊午年沙月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎可阻将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 马鼋 签字日期：砂m 华年c 调f 同 聊龆诋殇 签字日期硼日印年1 1 月杪日 第一章绪论 1 1 研究流量装置的意义 第一章绪论 各种流量测量仪表在研制工作中有大量实流实验的工作，以便充分掌握仪表 的动态特性，进一步验证或改进设计。在流量计的生产过程中，除标准节流装置 以外均需逐台检定，以确定流量计的仪表系数、不确定度、重复性和量程范围等 技术指标。这些工作都需要在流量标准装置上进行，因此，它的研究和应用是流 量计量和测试技术发展的基础。 另一方面，流量标准装置作为流量单位量值统一与传递的标准，确保我国各 地区和各部门的量值统一在一个标准上，为经济核算或做仲裁工作提供依据。在 制定国家( 或企业) 的标准和计量规程时，它电能研究测试方法并进行数据的验 证“。 随着我国社会经济的不断发展，需要进行物质流量和数量测量的场合越来越 多，并且对测量的要求也越来越高，加强对各种流量装置的研究和建立完善的流 量标准计量体系对于流量计量技术乃至国民经济的发展都具有重要意义。 1 2 流量标准装置的发展现状 流量标准装置的研究和应用是流量计量和测试技术发展的重要环节，理所当 然引起了各国的普遍重视。在国际流量学术讨论会上，标准装置是讨论的中心问 题之一，学术论文中流量装置也占有相当大的比重。正因为如此，国际上成立了 标准化组织和法制计量组织。与此同时，进行了大量的研究工作，先后制订了不 少的国际标准“1 。这些标准有效地促进了流量标准装置的应用与发展。 目前使用的流量标准装置种类很多，常用的分类方法有：按测量方法分， 有静态法和动态法；按稳压源分，有水塔稳压法和容器稳压法；按计量器具分， 有质量法( 也叫称重法) 、容积法和标准表法；按标准装置分，有原始标准和传 递标准；按测量介质分，有水、气、油等。 近年来，随着国际间的交流同益频繁和新技术、新方法的不断出现，流量标 准装置的发展呈现出多样化的趋势，主要体现在以下几个方面： 1 流量标准装置的精度不断提高。精度的液体流量标准装置通常都采用静 态质量法，研究的主要方向集中在减少称重部分的不确定度上。近年来出现的一 第章 绪论 些新型换向器，从原理上消除了换向器换向不对称所引起的误差”“”“1 。例如p t b ( 德国国家物理实现室) 新建造的一一套高精度水流量标准装置( 最大流量为 2 l o o m h ) 的扩展不确定度优于0 0 2 ，其称重系统的扩展不确定度优于0 0 1 。 该装置采用了双翼片式换向器，并考虑了几乎所有可能影响称重部分不确定度的 外界因素。例如为了减少检定过程中来自地基的振动和由于称重容器内流体流动 而引起的冲击采用了电液双平衡悬架系统，为减少温度变化的影响采用了室温闭 环控制系统和称重传感器的恒温控制，在实验过程中所有的门窗都要求关闭以减 少室内空气流动可能产生的影响“3 。其它类型的装置也达到了很高的准确度，例 如p t b 大型气体流量标准装置，以1 6 个音速文丘利喷嘴作为流量标准，通过并 联接入5 个喷嘴，可获得5 0 5 5 0 0 m 3 h 间隔不超过1 的流量，装置的相对准确 度评定为0 0 4 “1 。p t b 另外一套可控温的动静态质量法水流量装置( 温度范围： 3 一9 0 ，流量范围：3 m 1 h 一1 0 0 0 m 1 h ) 的扩展不确定度优于0 0 4 ”。 2 天然气流量装置的研究和标准的比对成为国内外的热点。全球范围内， 天然气年消费量自1 9 7 3 年以来一直保持成倍增长的势头，1 9 9 9 年全球天然气的 生产和消费总量达到了2 2 亿立方米，根据世界天然气协会的预测，2 0 3 0 年以前 天然气的消费量将以每年2 3 的速率增长“1 。我国2 0 0 2 年天然气的产量为 3 1 0 x 1 0 8 n m 3 ，随着“西气东输”工程的实施和陕西至北京的第二条天然气管线的 建立，2 0 0 5 年我国天然气产量将达到6 3 0 x1 0 8 n m “。因此，国内外对于天然气流 量装置的研究和标准之间的比对都非常重视。四j 1 ；石油管理局与中国测量技术研 究所合作研制的质量一时间法天然气流量标准装置是我国第一套天然气流量标 准装置，建立了覆盖全国的天然气流量量值动态溯源体系，其准确度等级达到 0 1 级0 1 ；南京于2 0 0 3 年计划建造一套高压力大流量的天然气流量标准装置( 检 测站) ，主要技术指标如下：最高工作压力5 5 m p a ，最大流量1 2 0 0 0 m 3 h ，被检 流量计最大口径4 0 0 m m ，装置不确定度为o 5 ”1 。建造于上世纪9 0 年代的 “p i g s a r ”是一套著名的天然气实验装置，它是德国的天然气计量标准，由p t b 负责监督和校准。“p i g s a r ”的工作压力范围为1 4 5 0 b a r ，流量范围为8 - 6 5 0 0 m 3 h ， 通过对其6 年多的运行数据进行计算分析，证明它的长期稳定性优于0 0 2 ，重 复性优于0 0 5 “”。1 9 9 9 年1 1 月，p t b 和n m iv s l 共同制订和传递了天然气 计量参考标准值( h a r m o n i z e dr e f e r n c ev a l u e s ) “”，被认为是欧洲在实现天然气 体积单位统一进程中迈出的实质性的一步。 3 多相流实验装置的研究。多相流( 含两相流) 的测量是一门比较新的学 科，近年来发展迅速，油气水三相流实验装置是典型的多相流实验装置。从查阅 的文献资料来看，目前绝大多数的多相流装置属于实验性质，只有由英国n e l ( 国 家工程实验室) 建造的油气水三相流量测试和检定装置是世界上唯一个具有国 第一章绪论 家标准的多相流量计检定装置”“。它具有功能齐全、测量范围宽、准确度高、仪 器设备先进等优点，是油气水多相流量计检定和多相流测试研究的综合性试验装 置。我国许多科研单位和高等院校电正在进行有关多相流的研究，有些已建有三 相流实验装置。如天津大学流量实验室的油气水兰相流实验装置目前已经完成了 一期工程，其设计技术指标如下： 工作介质：柴油、水和空气 油相：o 5 3 8 0 l i 】3 d 水相：0 5 3 8 0 m 3 d 气相：6 5 4 0 0 m 3 d 4 新的测量方法和测量手段不断出现。如通过利用计算机网络技术，p t b 对相距约3 0 0 k m 的p i g s a r 实现了远程检定，有效保证了天然气贸易的公平性和 检定标准的溯源性“”。德国把激光多普勒速度计用在检定中，通过采用 “o n e p o i n tr e l a t i v em e t h o d ”实现了在1 0 0 。c 以上用标准表法检定流量计的 难题，其准确度优于0 2 “。随着新型流量计的不断出现，标准表法流量标准 装置也得到了更多的重视，匈牙利f l o m e t 公司以科里奥利质量流量计作为标准 表，获得了优于0 0 4 的重复性，使用5 年，提出结论为性能可靠的报告“。巴 西建造了套用三台涡轮流量计作标准表的水流量标准装霹，单台涡轮流量计检 定流量最大为1 6 0 0 m 3 h ，通过并联可检定高达3 0 0 0 m 3 h 的流量，准确度为0 2 ”。 另外，一些新技术的应用使流量装置的建设成本和运行成本显著降低，如变频调 速技术的应用不仅节省了高位水塔高昂的建设费用和维护费用，而且可以避免 ( 或减少) 装置运行过程中由于流量调节阀造成的节流损失，具有显著的节能效 果。 1 3 本课题的研究背景 水流量标准装置被广泛用作液体流量仪表的实验和检定装置，尤其对于流量 计的制造企业，有大量的仪表检定工作和新产品研制过程中的实验工作，一套高 效、可靠的水流量标准装置对其生产活动具有重要的意义。 在工业应用场合，不仅要求流量标准装置有足够的准确度和可靠性，还希望 能有比较高的检定效率。另外，装置的建设成本、运行成本、对操作人员的技术 素质要求等也都是需要考虑的因素。传统的水流量标准装置不能很好地满足这些 使用要求。 在实际工业应用中，一种有效的方法是将静态质量法和标准表法综合在一套 流量标准装置中，这样就可以综合利用两种方法各自的优点。从文献资料中可以 第一章绪论 发现这种用法的一些实例“”“。作者通过对这类装置的考查和进一步的探讨，提 出了“高效组合式水流量标准装置”的设计方法c 详细介绍见第二章) 。这种设 计方法不仅仪是对两种装置进行简单的综合，而是从系统规模和不确定度合成两 方面进行了合理的搭配，从而可以显著降低建设成本、实现最优的整体性能。 某公刮是天津市重点扶持的崮家级商新技术僻队孥fj 从事流最计等自动控 制仪表的研发、生产及热工仪表的安裟调试。随着、i k 务的不断扩展和生产规模的 不断= r 人，建造一套适合的水流量标准装黄就被提到r 该公i 的f 程f j 来了。 本课题结合该公司的具体情况，采用“高效组合式”结构设计出一套具有较 高效率、较高精度且成本相对低廉的水流量标准装置。该装置采用了变频调速技 术，控制系统由组态软件m c g s 5 5 编程实现。 1 4 本课题完成的工作 本课题完成了上述水流量标准装置的设计及控制系统的安装和调试工作， 主要工作内容如下： 1 流量装置的系统方案设计 2 流量装置各组成部分的选型、设计与计算 3 变频调速系统的设计 4 通过m c g s 编程实现具有流量装置检定、多种仪表检定、数据存储、历史数 据查询、报表打印等多种功能控制软件 5 计算机控制系统硬件部分的设计 6 系统调试 1 5 本课题的创新点 1 提出了“高效组合式”水流量标准装罱的结构。 2 采用用组态软件m c g s 5 5 开发流量装置的控制软件。 主要解决了在m c g s 环境下“提高系统实时性”、“数据的存储与查询”、“设 备驱动构件的开发”等问题。 3 将变频调速技术成功地应用于水流量装置并进一步提出了改进的措施。 作者采用“变频循环模式”构建了本装置的变频调速系统，在整个检定流量 范围内实现了流量调节过程的变频控制。在此基础上，作者又进一步提出了节能 效果更好的“多变频器调速系统”设计方案。 第一章绍玲 发现这种用法的一些实例“”】。作者通过对这类装置的考查和进一步的探讨，提 出了“高效组合式水流量标准装鼍”的设计方法( 详细介绍见第二章) ，这 枣设 计方法不仅仅是对两种装置进行简单的综合，而是从系统规模和不确定度合成两 方面进行了合理的搭配，从而可以显著降低建设成本、实现最优的整体性能。 某公刮是天津市重点扶持的国家级高新技术余业，j 从事流量计等自动控 制仪表的研发、生产及热l 仪表的安装调试。随着、p 务的不断扩展年几生产j i 【i ! 模的 _ i 断扩大，建造一套适台的水流量标准装嚣就被提到r 泼公i 的朽! j 来了。 本课题结合该公司的具体情况，采用“高效组合式”结构设计出一套具有较 高效率、较高精度且成本相对低廉的水流量标准装置。该装茕采用了变频调速技 术，控制系统由组态软件m c g s 5 5 编程实现。 1 4 本课题完成的工作 本课题完成了上述水流量标准装置的设计及控制系统的安装和调试工作， 主要工作内容如下： 1 流量装置的系统方案设计 2 ， 流量装置各组成都分的选型、设计与计算 3 变频调速系统的设计 4 通过髓g s 编程卖现具有流量装置榆定、多种仪表检定，数掘存储、历史数 据查询、报表打印等多种功能控制软件 5 ， 计算机控靠4 系统硬件部分的设计 6 系统调试 1 5 本课题的创新点 1 提出了“高效组合式”水流量标准装罱的结构。 2 采用用组态软件m c g s 5 5 开发流量装置的控制软件。 主要解决了在m c g s 环境下“提高系统实时性”、“数据的存储与查询”、“设 备驱动构件的丌发”等问题。 3 将变频凋速技术成功地应用于水流量装置并进一步提出了改进的措施。 作者采用“变频循环模式”构建了本装置的变频调速系统，在整个检定流量 范围内实现了流量调节过程的变频控制。在此基础上，作者又进一步提出了节能 效果更好的“多变频器调速系统”设计方案。 效果更好的“多变频器调速系统”设计方案。 第一章绪论 1 6 本文的组织结构 本文共分为七章。 第一章概述部分，介绍了建立流量标准装置的必要性和它的发展状况，同时 阐述了本课题的实际意义及本文的组织结构。 第二章介绍了商效组合式水流量标准装置的工作原理，并分析了其特点。 第三章是流量标准装置的工艺设计与计算，在这章旱完成了总体方案的设 计，并介绍了主要组成部分的性能指标计算或选型。 第四章介绍了计算机控制系统，在这章里着重介绍了硬件系统的设计方案和 软件系统实现的功能。本章还介绍了m c g s 的特点及使用中的难点和重点，如 设备驱程的开发和系统实时性的解决方案。 第五章介绍了本装置变频调速系统的结构和工作原理，并提出了具有更好节 能效果的“多变频器模式”的设计方案。 第六章是水流量标准装置性能评估，介绍了本装置的溯源系统并根据现有的 检定数据计算了本装置的不确定度。 第七章是本课题的总结和对以后研究工作的建议。 第一章高效组含，水流量标准袈置的 究 第二章高效组合式水流量标准装置的研究 2 1 流量的概念 流量是单位时间内流过管道或明渠横截面的流体量，如果流体的流动随时间 变化，被测流体的流量应用平均流量表示。 对于体积流量，其平均流量q 。为： 一ho 如= 2 对于质量流量，其平均流量q 。为： q 。= i q 。( t = 旱 2 。2 式中，t 流体测量的时间间隔( s ) ； q 。m ) 以时间为函数的体积流量( l s ) ： q 。( r ) 以时间为函数的质量流量( k g s ) ； 矿在t 时间内流过的流体体积( l ) ； m 在t 时间内流过的流体质量( k g ) 。 当需要进行质量流量与体积流量的换算时，可根据下式计算： gr ：红 ( 2 - 3 ) p 式中p 一被测流体的密度( k g m 3 ) ； 2 2 水流量标准装置介绍 根据测量原理的不同，水流量标准装置一般可以分为静态质量法、动态质量 法、静态容积法、动态容积法和标准表法，目前以静态质量法和标准表法流量标 准装簧最为常见。 2 2 1 静态质量法标准装置的工作原理 静态质量法又称静态称重法，图2 1 表示了其试验管路的一般结构。 第一章高效组合式水流量标准皱置的研究 流体经过稳压装置后，可在试验管路中得到稳定的流量，通过改变流量调节 阀的开度可以调节流量的大小。在试验管路的出口处装有换向器，控制流体流入 称重容器或旁通管。试验丌始时，把换向器置于使液流流入旁通管的方向，这时 确定称重容器的起始质量m 。改变调节阀的开度以得到所需要的流量，待流量 稳定后，启动换向器关键所在流体由旁通管换入称量容器。在换向器启动过程中， 同时启动计时器和被检流量计的的脉冲计数器。当到达预定的水量或脉冲数或时 间时，换向器自动拘役，使流体再次换向到旁通管。确定并记录称重容器中所收 集到的流体质量吖，计时器显示的测量时间t 和流量计脉冲计数器显示的脉冲 数。称量容器中实际的质量肘。可根据下式计算： 稳压装置 图2 1 静态质量法流量标准装置 m ，= ( 肘一m o ) 0 + e ) 舯p 。c 寺一万1j 一空气浮力修正系数； p 。空气密度( k g m ) ； p 。水的密度( k g m ) ； p 。砝码材料的密度( k g m ) 。 由质量换算为体积时，可由式( 2 - 5 ) 得到： k ：丝：m - m o _ ( 1 + 。) p wp w 式中，u 为流过被检流量计的累积体积流量( m 3 ) 。 于是，被检流量计的仪表系数k 。( 1 m 3 ) 可根据下式算出： k 。= n 。| y ； ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 第一二章岛效组含式水流量标准装置的研究 为了不降低测量质量的电子秤的准确度，致使在低流量检定时测量的时间必 须足够长，这便大大降低了检定效率；换向器往返时间难于调到相等，因此产生 系统误差；要得到被检流量计的体积流量，必须经过质量与体积的换算这样便 不可避免的引入了密度测量的误差等。 2 2 2 标准表流量标准装置的工作原理 标准表法流量标准装置的管路系统如图2 2 所示，标准表与被检流量计串联 在同一管径的管道上。在流动稳定的情况下，任何时刻流过两台表的质量流量q 卅 是相等的。在检定介质为液体的情况下，设标准表和被检流量计的仪表系数分别 为k 、k ，( 下标s 表示标准表，t 表示被检表，下同) ： 稳压装置 图2 - 2 标准表流量标准装置 耻参= 彖风。q k 瓯，一 弘击= 未p 式中：g 通过流量计的体积流量m i h p 通过流量计的流体密度k g m ： 因为q ，= q ，代入上述两式可得： 耻器pk ，= 篾p 以 j f 。：n ；。： ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 第一幸，：b 效组台止水流量标准装冒的 ( j f 究 若n 。n 则e = 等k 式中：f 仪表输出频率； n 同计数时间间隔内仪表输出的脉冲数 ( 2 一1 0 ) 只要在相同的时间间隔内测得标准表和被检流量计的输出脉冲，即可方便地 得到被检流量计的仪表系数。 2 2 3 两种装置的比较 表2 一l 比较了这两种装置的不同特点。 两种装置本质的区别在于工作标准不同。静态质量法流量标准装置属于一级 标准( p r i m a r ys t a n d a r d ) ，其测量值是通过相互独立的测量量( 如质量、时间、 温度) 计算得到的，这些测量量可以直接溯源于相关的国家基准；标准表法流量 标准装置则属于二级标准或传递标准( s e c o n d a r ys t a n d a r d o r t r a n s f e rs t a n d a r d ) ， 其测量值直接由标准流量计提供，通过定期对标准流量计检定来保证标准的准确 性。 表2 一l静态质鼙法与标准表法流量标准装置的比较 装置类型上作标准典型准确度检定效率 k 期可靠性建设成本 静态质量法一级标准高低高商 标准表法传递标准低高低 低 从测量原理而言，静态质量法更容易达到较高的准确度( 但这并不意味着标 准表法的准确度一定比静态质量法低) 且有稳定的长期可靠性，所以目前高精度 的流量标准装置几乎全部采用这种型式，但其检定效率显著低于标准表法，且一 次性投资相对较高，这限制了静态质量法流量标准装置在某些场合的应用。例如， 对于流量计的生产企业，使用流量标准装置的目的主要是对其产品流量计进 行检定，因此检定效率是一个必须考虑的因素。 标准表流量标准装置结构简单、检定效率高，这种检定方法在上世纪八十年 代初就已被研究并论述过了“，而且已经从理论和实际中得出了标准表法可以获 得与称重法一样的准确度等级的结论。”1 ，但由于需要定期用准确度更高的外部标 准对标准表进行检定，这将带来如下问题：一、不仅造成使用上的不方便，而且 标准表检定和使用环境的不一致和对标准表的拆卸、安装增加了不确定度的来 9 第二章高效组合式水流星标准装置的研究 源。二、如果检定周期不合理或由于某些没有考虑到的因素，传递标准的准确性 可能得不到保证。 综上所述，静态质量法和标准表法流量标准装置具有不同的特点，但很难同 时满足高效和可靠两方面的要求。 2 3 高效组合式水流量标准装置的提出 在实际工业应用中，一种有效的方法是将静态质景法和标准表法综合在套 流量标准装置中，被检流量计的检定由标准表法实现，而静态质量法主要用来完 成标准流量计的在线检定，这样就可以综合利用两种方法各自的优良特性。从文 献资料中可以发现这种用法的一些实例和对其优良性能的论述。本文通过对这类 装置的考查和进一步的探讨，提出了高效组合式水流量标准装置的结构形式。与 现有装置相比，该装置不再仅是对两种方法进行简单的综合，而是从系统规模和 不确定度合成两方面进行了合理的搭配，从而实现最优的整体性能。其原理如图 2 3 所示。 试验管线由标准表部分、被检表部分和称重部分等组成。使用称重法时，水 流经标准表、被检表和称重容器( 或旁通管) ，这时标准表只起到显示瞬时流量 的作用，并不参与计算；使用标准表法时，水流经标准表、被检表后直接流回水 池，不再经过称重部分。 标准袁 球阀 图2 - 3 高效组合式水流量标准装置 这罩的“组合”一词有两个含义：一是整套装鼍由静态质量法和标准表法两 部分组合而成，另一个是指标准表部分是由若干流量计组合而成的，即采用了并 联标准表法”1 。所谓并联标准表法是通过多个小口径标准表的并联形式检定大口 径被检流量计的方法，经过被检流量计的质量流量等于通过各个标准流量计的质 o 第二幸商效组合j 水流量标准装置的1 , 究 量流量之和。图2 - 3 体现了这种结构。 在计量学方面，以并联方式连起来的组标准流量计最低限度能和单台标准 流量计+ 样可靠，就是说该并联不降低其测量准确度。并联标准流量计的系统相 对误差不大于该系统里最不准确的那台标准流量计的系统相对误差。通过并联标 准流量计的方式，可以在不降低计量可靠性的前提下，有效减小标准表的口径。 原则上，被检流量计的检定采用标准表法，而称静态质量法部分只用来对标 准表进行在线检定。在图2 - 3 中，当检定被检流量计时，通过流量调节阀后的两 个球阀使水流不经过称重系统而直接流回水池；只有在进行标准表检定时，称重 系统才起作用。由于标准表的最大口径小于被检表的最大口径，所以称重系统的 规模可以减小，这不仅显著地降低了装置的成本，而且有利于称重部分实现较高 的精度和稳定性，同时降低了装置维护的难度。 高效组合式水流量标准装置可以实现标准表的在线检定，这不仅克服了单独 使用标准表法的缺点，而且从不确定度合成的角度给出了标准表的选择标准，使 两种方法形成有机的整体而实现最优的性能。这一点将在第三章中得到体现。 2 4 小结 总的来说，本文提出的高效组合式水流量标准装置有以下优点： 1 枪定过程高效、可靠； 2 可以实现标准表的在线检定，最大限度减少装置不确定度的来源 3 从理论上保证了静态质量法和标准表法两部分的合理配置i 4 由于静态质量法规模相对较小，装置的整体成本显著下降； 第二章凝置的工艺设计和计算 第三章装置的工艺设计和计算 3 1 装置总体方案的确定 3 1 1 设计技术指标 根据实际使用要求，设计技术指标确定如下： 装置类型：组合式水流量标准装置( 静态质量法十标准表法) 检定介质：水( 常温) 最大检定流量：6 0 0 m 3 b ( 标准表法) 2 0 0n 1 3 h ( 静态质量法) 装置不确定度：0 0 5 0 1 ( 静态质量法) 0 1 o 2 ( 标准表法) 被检流量计口径：d n 4 0 d n 3 0 0 被检流量计类型：速度式流量计( a 类、b 类) 3 1 2 不确定度分配 1 静态质量法部分的不确定度 根据 j j o1 6 4 2 0 0 0 ”，静态质量法水流量标准装置的合成不确定度为： l i = ( s i2 + s 2 2 十s 2 + u 1 2 + u 2 2 + u d 2 + u f 2 ) 1 7 2( 3 - 1 ) 式中：s 。计时器的a 类不确定度： s ：一衡器的a 类不确定度： s 。一换向器的a 类不确定度： u 一计时器的b 类不确定度： u ：一衡器的b 类不确定度： u 。一换向器的b 类不确定度： u ，一标准砝码的相对不确定度： 由上式可知，静态质量法部分的不确定来源主要由换向器、称重衡器、 计时器和标准砝码组成。计时器和标准砝码的相对不确定度一般都优于 0 0 1 ，相对于0 0 5 的合成不确定度可以忽略，因此换向器和称重衡器将决 定静态质量法部分的合成不确定度。根据经验，分配给换向器的相对不确定 第三章装置的t 艺设汁期计弊 度暂定为0 0 4 ，稳重衡器的相对不确定度定为0 0 3 。 2 标准表法部分的不确定度 根据j j g6 4 3 2 0 0 3 ) ) “，标准表法水流量标准装置的合成不确定度为： u = ( u 1 2 + u 2 2 十u 3 2 + u d 2 + u + u i ，2 + u 7 2 ) 。2 ( 3 - 2 ) 式中：u ，标准流量计的不确定度 u ：一计时器的a 类不确定度 u 。计时器的b 类不确定度 u 。标准流量计不带配套仪表一起检定时引起的流量测量不确定度 1 1 。标准流量计检定和使用的流体条件不同时引起的流量测量不确 定度 u 。一数据采集、信号处理、数据处理及通讯不确定度引起的流量测 量不确定度 u ，一标准表检定装置的合成不确定度 标准表法部分的不确定度来源主要由标准表、计时器、数据采集系统、标准 表的检定装置和标准表检定和使用时流体条件的变化等几部分组成。对于组合式 水流量标准装置u 。、u 。均为零；通过合理地设计控制系统，可以将数据采集系统 的不确定度u 。控制在可忽略的程度；如前所述，计时器的不确定度也可以忽略； 标准表检定装置即为静态质量法部分，所以u ，= o 0 5 ；因此，标准表法部分合成 不确定的主要决定因素即是标准表的不确定度。若要实现o 1 的合成不确定度， 则要求标准表的不确定度优于0 0 8 7 。 静态质量法部分和标准表部分的合成不确定度只有合理配置才能充分发挥 出整体的优势，如前者为o 0 5 ，则后者应为o 1 左右。如果准表部分的合成不 确定度过大，则无法发挥静态质量法部分的高精度的优势；反之，无法发挥出高 精度标准表的优势。考虑到普通速度式流量计的不确定度一般大于o 2 ，所以 本装置的不确定度指标确定为：o 0 5 0 1 7 ( 静态质量法) ，o 1 o 2 ( 标准 表法) 。 3 标准表的选择标准 线性度和重复性是流量计的两个主要的性能指标，线性度决定了流量计的精 度等级，而不同的精度等级对重复性有不同的要求，一般在数值上应不大于流量 计不确定度的l 3 。 流量标准装置的上位机具有强大的数据处理能力，很容易通过线性插值的方 法减少流量计特性曲线的非线性误差。因此，对于作为标准表的流量计，只应关 心其重复性指标。例如对于一台重复性为0 0 3 的流量计，即使其线性度不好， 第三章装置的丁艺垃计和计算 也可以通过修正得到不次于0 1 级流量计的性能。这样就拓宽了标准表的选择范 围。 3 1 3 装置设计原理图 本装置的结构原理图如图3 1 所示。 图3 - 1 高效组合式水流量标准装置蹬计原理图 装置由水池、水泵组、变频调速系统、稳压容器、标准表管线、被检表管线、 流量调节阀、换向器、称重衡器和计算机控制系统等组成。装置的动力源由变频 器控制的离心式水泵组提供，水流经过稳压罐进一步稳压后，在实验管线中形成 稳定的流量。标准表部分由四条管线组成，根据目标流量的大小，由标准表后面 的流量调节阀选通所需的标准表，标准表前面各有手动球阀，便于标准表的维 护。控制系统可自动改变流量调节阀的，从而实现流量的自动调节功能。被检流 量计部分由8 条管线组成，其中口径小于d n l 0 0 的管线通向称重部分，大1 ：3 径管 线直接经背压管流回水池，管线的选择由被检流量计前面的手动阀门实现，在一 次检定过程中，只有一条被检表管线是选通的。称重部分由一台换向器和两套称 重衡器( 容器) 组成，它们还起到互为旁通管的作用。为实现检定过程的自动化， 底阀也必须可由控制系统直接控制。在泵出口设置了一个旁通阀直接回到水池， 它的作用是为了改善变频系统的流量调节性能。 第一个汇流容器上安装的压力变送器给变频器提供压力反馈信号，第二个汇 流容器的温度、压力变送器起温压补偿的作用。在两个汇流容器各设置了一个放 气阀。 1 4 第三章牝置的工艺设计和计算 当使用静态质量法进行检定时，水流经过水池、泵、稳压容器、标准表管线、 流量调节阀、被检表管线、换向器、称重容器、底阀形成循环。使用标准表法时， 对于口径小于d n l 0 0 的管线，其水流循环和静态质量法相同，口径大于d n l 0 0 时，由于换向器和底阀的流通能力有限，所以水流直接经背压管流回水池。 各部分具体的设计和计算见下一小节。 3 2 装置工艺设计与计算 3 2 1 被检流量计管线的设计 由d n 4 0 、d n 5 0 、d n 8 0 、d n l 0 0 、d n l 5 0 、d n 2 0 0 、d n 2 5 0 、d n 3 0 0 八条管线组成。 表3 - i 列出了各条管线的检定流量范围。 表3 - i 不同管