1 静态容积法水流量标准装置工作原理

 

    静态容积法水流量标准装置的工作原理是：按要求将被检流量计安装到试验管路中，启动液体循环系统，当液体以一定的流量同时流入被检流量计和标准工作量器时，开始记录流量计示值和测量时间；当液流停止进入标准工作量器时，停止流量计和计时器信号的采集。测出流入标准工作量器的液体体积、测量时间及流量计的输出流量值，则流量Q=V/T，从而确定被检流量计的计量特性[1-2]。

 

    2 水流量标准装置技术指标及结构

 

    我厂研制的水流量标准装置主要用于校准或检定速度式流量计、转子流量计、质量流量计及容积式流量计等，系统的主要技术指标如下：

 

    流量范围：0.6~100m3/h；

 

    装置的流量稳定度：0.06%（k=2）；

 

    装置的不确定度： 0.1%（k=2）。

 

    静态容积法水流量标准装置主要由流量标准器即工作量器、试验管路、液体源及循环系统、换向设备和控制设备及数据采集系统组成，装置的结构图见图1。

 

 

 

图1 水流量标准装置结构图

 

    1）装置试验管路。试验管路分DN25（15），DN50（40），DN80（50）三条管线，采用不锈钢材料制造。每条管线上配有相应的电动闸阀、标准涡轮流量变送器、压力变送器、温度变送器、气动夹表器、气动换向器等，所有信号由计算机控制和处理，并且标准涡轮流量计可在线检测。

 

    2）检定台位及标准量器。三个检定台位：DN80（50）台位，选用1300L标准工作量器；DN50（40）台位，选用200L及500L的标准工作量器；DN25（15）台位，选用200L标准工作量器。标准工作量器的不确定度优于0.05%；用高精度的磁性浮子液位计检测工作量器的容积并将液位信号传输给计算机。

 

    3）供水及稳压系统。采用变频调速器控制水泵流量及容器稳压双重稳压系统。供水系统包括地下水池、水泵、底阀、止回阀、截止阀、稳压罐、消气过滤器等，三台水泵总流量达到175m3/h。

 

    4）自动控制系统。该装置数据处理采用单次校验法，仪表校验由计算机控制，用计算机对数据进行采集、贮存、搜集、处理和打印。

 

    3 水流量标准装置的设计参数

 

    3.1 标准容器

 

    准容器的设计参数主要有：有效容积、放水阀通径、排空时间。选用背靠式缩颈容器，选择容器壁厚为5mm；旁通直接用DN200mm或DN100mm的直管排空；容器刻度的使用部分是缩颈部分，标尺分辨力为0.1mm，每毫米高度所代表的容积与全容积之比不大于0.01%，容器的扩展不确定度小于0.05%（k=2）；底阀采用气动碟阀。标准容器各设计参数值如表1所示。

 

    

 

    3.2 换向器

 

    采用电动气阀控制的换向器，要求：1换向时间小于200ms；º正反行程差小于20ms；»换向时不产生影响校验管道液体流动的压力波动。

 

    3.3 夹表器

 

    选用气动夹表器，可根据被校流量计的种类确定夹表开档及配管长度。

 

    3.4 泵与泵房

 

    为避免噪音及对校验精度的影响，单独设一水泵房，水泵采用IS型单级单悬臂式离心泵，水池设计为地下密封水池。

 

    4 装置试验结果

 

    标准工作量器标定数据见表2。水流量标准装置流量稳定性检定数据见表3。

 

 

 

 

 

    为确定水流量标准装置稳定性，使用该装置，在DN80台位上对一编号为400的涡轮流量传感器每隔一个月观测一次，每次测得8个数据，每次测量结果平均值见表4。

 

 

 

    5 自动控制系统设计说明

 

    5.1 装置控制系统

 

    自控系统是整个流量装置的重要组成部分。整个系统由上位机（PC）和下位机（单片机和智能数字万用表﹑变频器）组成，自控系统结构图如图2所示。

 

 

 

图2 自控系统结构图    

 

    PC机用于过程监控和数据处理，数字万用表用于模拟信号采样与转换，单片机用于实时控制以及脉冲信号（辅助控制信号）的数据采集，而变频器作为执行机构用于调节供水流量。上位机与下位机之间采用RS232进行串行通信。整个自控系统按功能分为六个功能块：1监控与数据处理系统；º恒压供水系统；»自动校验系统；1/4脉冲量信号/控制检测采样系统；1/2模拟信号采样系统；3/4通信系统。

 

    5.2 硬件部分

 

    系统电路结构设计包括单片机主板电子电路设计，继电器输出与切换电路设计，恒压供水系统电控箱一、二次回路设计三大部分。

 

    控制系统对模拟计量信号的采集，是由高精度智能数字万用表采集，并通过RS232串口传输给PC机处理，从而省去了单片机A/D转换电路。将模拟输出信号）））变频器工作频率经RS485直接送给变频器，省去了模拟电路设计，提高了系统可靠性。该自动控制系统是一个针对仪表校验的计量控制系统，因而它除了具备一般的工业控制系统的特点外，对系统控制精度，信号转换精度以及计量标准的溯源等都有着特殊的要求。本系统引入了智能型高精度数字万用表用于计量信号模数转换，并将转换得到的数字信号通过通信口送入PC机；引入时频仪并将时频仪输出的校验脉冲信号引至单片机；将脉冲信号频率设置为1Hz，这样，系统即可获得精确的定时，并对被检脉冲信号流量仪表进行精确的采样。数字表、时频仪作为独立的仪表送检方便，保证了系统校验精度及标准溯源。

 

    5.3 软件部分

 

    自动控制系统软件编制由用汇编语言编制的MCS251单片机控制程序和用VisualBasic编制的PC机程序两部分组成。按功能划分分为通信程序、数据采集程序、恒压供水系统控制与调节程序、自动校验/比对程序、手动校验/比对程序、仪表数据输入程序、校验结果处理程序等七部分。

 

    结合装置的特点，编制了诸多如变速积分、折线表编制、容错技术、抗干扰设计等具有一定特色的功能模块程序；同时对校验数据的采集施行多样化，解决了既要兼顾手动和自动操作，又要兼顾校验操作、比对操作和测量点次的刷新同时进行的难题。

 

    6 结论

 

    通过实验得出，水流量标准装置的工作量器不确定度为0.05%，流量稳定性为411@10-4m3/h。实验数据及比对结果表明，该装置具有稳定性高、重复性好等优点，具有流量标准装置所需的功能，符合JJG164-2000检定规程的要求。

 

    装置采用了磁致伸缩液位测量技术，很好地解决了标准量器容积的测量难题，实现了静态容积法水流量标准装置的全自动测量；装置引入涡轮流量变送器，既可作为变频器的流量控制，又可以作为标准表，并且标准表可在线标定，提高了装置的校验精度；用变频调速器及容器双重稳压，保证了装置的流量稳定度。装置的建立实现了水流量检定工作的自动化。采用变频稳压的方式，利用计算机控制系统对检定进行控制，对数据进行采集、储存、处理、打印，简化了工作程序，提高了工作效率，保证了数据的准确性，符合计量检定工作发展的方向。

 

    参考文献

 

    [1]JJG164-2000液体流量标准装置检定规程[S]1

    [2]苏彦勋1流量标准装置和流量计的检定[M]1北京：中国计量科学出版社，19981