質(zhì)量流量計檢定裝置的研制與應用

Application and Research of Device about Tested Mass Flowmeter

ZHU Yuhua1, LIU Jingfeng2, LI Xiaochun2

(1.Engineering College, Shenyang University of Technologye,
Li aoyang 111003, China;
2.Fushun Petroleum Factory, Fushun 113004, China)

　　Key words: mass flowmeter; standard device; test; design

1質(zhì)量流量計標準裝置的總體設計
　　根據質(zhì)量流量計測量范圍設計的技術(shù)指標為：
　　(1)裝置的準確度：對于DN25(15) 50(40) 100(80)實(shí)驗段優(yōu)于±0.05％。
　　(2)各實(shí)驗段流量流速：最高流速達到7m/s，每實(shí)驗段的流量范圍度為1∶20。
　　(3)稱(chēng)量時(shí)間：在按靜態(tài)質(zhì)量法原理工作時(shí)，稱(chēng)量容量容積的設計應保證在各實(shí)驗段的最大流量時(shí)，稱(chēng)量時(shí)間不小于40s；為減少在最小流量下的稱(chēng)量時(shí)間，稱(chēng)量容器可在50％最大稱(chēng)量下使用，此時(shí)電子稱(chēng)量系統仍能保證最高精度。
　　(4)稱(chēng)量容量容積：為保證40s的稱(chēng)量時(shí)間，各容量容積分別為T(mén)K1 500m3、TK2 3000m3。

　　裝置主要有流源系統、秤量系統、稱(chēng)量容器、換向裝置、質(zhì)量流量計等主要設備組成。
2.1流源系統
　　流源系統由水泵、水池、真空罐、過(guò)濾除氣器、閥門(mén)管件及變頻調速電力控制等組成，本裝置主要用于標定科里奧利式質(zhì)量流量計，采用變頻調速穩壓法及流量調節結合式，以產(chǎn)生穩定的流源。由于工業(yè)管道中，介質(zhì)流速一般在1～5m/s之間，而且質(zhì)量流量計流通能力大，范圍寬(一般可達10∶1，甚至可達30∶1)，因此選取7m/s為管道最大流速，以適應檢定質(zhì)量流量計的要求。水池容積選擇為12m×4.5m×1.8m=97.2m2。水池全長(cháng)12m，回水順水各占兩頭，中間有隔墻設計。由于該裝置建設地點(diǎn)地勢較洼，地下水位高，因此從防水，防潮出發(fā)，把3臺機泵設置在地面上，并設計了3個(gè)不銹鋼真空罐，保證了水泵正常工作。同時(shí)在流體進(jìn)入檢定路線(xiàn)前，加過(guò)濾除氣器，使流體在連續的過(guò)程中，保持水質(zhì)清潔和除去流體中的氣體。
2.2秤量系統(電子秤)
　　電子秤是檢定裝置的關(guān)鍵設備，其靈敏度、精確度、重復性、可靠性決定標準裝置的精度。我們選用德國進(jìn)口(整體)梅特勒托利多多量程、萬(wàn)分之二精度的電子秤，作為流量檢定的標準器具。
2.3稱(chēng)量容器
　　共有2臺不同容積的稱(chēng)量容器：一臺500m3：另一臺3000m3，均采用不銹鋼制造，并配備氣動(dòng)球閥，氣/電轉換采用軟連接，容器平穩的安裝在電子秤臺上。
2.4換向裝置
　　換向裝置由換向器、行程開(kāi)關(guān)和電磁閥組成。它用來(lái)改變液流的流向，使流體流向稱(chēng)量容器或流向旁路。該裝置通過(guò)與之聯(lián)結的行程開(kāi)關(guān)反饋一個(gè)信號進(jìn)行切換，同時(shí)控制計數器和計算機使其開(kāi)始或停止計量，所以換向裝置是整個(gè)標準裝置中影響精度最直接最關(guān)鍵部件之一，其正反行程差直接導致系統誤差。我們選擇了丹東通博電器公司生產(chǎn)的電動(dòng)換向器。切換動(dòng)作完成后，在橫向過(guò)程中流體不外濺和溢出，也不對管道內流體的流動(dòng)產(chǎn)生影響。換向裝置單向行程時(shí)間小于200ms，正反行程時(shí)間差小于20ms。
2.5質(zhì)量流量計
　　三套臺位分別連接了美國羅斯蒙特公司生產(chǎn)的千分之二精度的質(zhì)量流量計。安裝質(zhì)量流量計的主要作用是：在檢定流量時(shí)，在線(xiàn)檢定介質(zhì)的密度、溫度、流量瞬時(shí)值、累積值，實(shí)現流量或定量控制，同時(shí)對檢定流量在線(xiàn)修正和補償。?

　　控制系統為上、下位機兩層結構。上位機采用PC兼容機(具有全配置，包括臺灣研華工控機、彩顯、24行打印機)，完成運算、制表等功能。下位機為專(zhuān)用PLC(可編程控制器)配有手操面板、控制柜(CLJX-4型數據采集控制柜)等，主要用于將檢定管線(xiàn)的流量、溫度、壓力信號接入，并通過(guò)接口與微機進(jìn)行通訊和數據交換，完成各種控制功能。下位機、稱(chēng)重設備、標準時(shí)基與上位機之間均采用RS-485進(jìn)行通訊?？刂葡到y硬件組成如圖1所示。

　　由研華工控機、可編程控制器(RS?485接口，A／D轉換)、高穩定時(shí)基、手操盤(pán)(操作指示面板)、繼電器及接線(xiàn)柜、電子秤(梅特勒托力多高精度，多系統工業(yè)用電子秤)、電控柜(富士公司變頻調速器及手操系統)及機泵(格蘭富士公司高穩定機泵)組成。
3.2軟件功能及環(huán)境
　　以WINDOWS98為主程序軟件開(kāi)發(fā)平臺，具有控制、運算、動(dòng)態(tài)畫(huà)面、自診斷、通訊、自動(dòng)繪制曲線(xiàn)及制表功能。人機界面友好，美觀(guān)，操作方便。

4.1檢定方法
　　該裝置以二套電子秤為主要標準設備，采用靜態(tài)稱(chēng)量法，稱(chēng)測量時(shí)間內經(jīng)換向器流入稱(chēng)量容器內的液體量，檢定流量計。
4.2工作原理
　　(1)檢定前準備：將被檢流量計安裝在相應的臺位上，用工業(yè)風(fēng)做氣密實(shí)驗。在無(wú)滲漏的情況下，打開(kāi)入口閥、出口閥，然后開(kāi)泵。使液流經(jīng)除氣過(guò)濾器，被檢流量計，參照流量計，換向器流入旁路，流回水池，使標準裝置處于循環(huán)狀態(tài)。流量的大小用遙控板控制變頻調速器，達到控制標準裝置的循環(huán)流量。一般使流量在檢定上限運行10min，以排除系統中的氣體，使流量、溫度、壓力穩定。
　　(2)開(kāi)始檢定：在上述循環(huán)過(guò)程中，使用變頻調速器調節流量使其穩定在檢定點(diǎn)上進(jìn)行循環(huán)。在稱(chēng)量顯示器上設置予稱(chēng)點(diǎn)，計數器清零。啟動(dòng)定時(shí)器，通過(guò)電磁閥，使換向器將流入旁路的流體迅速切向稱(chēng)量罐。同步行程開(kāi)關(guān)控制計數器和稱(chēng)量顯示器開(kāi)始記錄被檢流量計經(jīng)過(guò)的流量(脈沖數)。由定時(shí)器使電磁閥控制換向器換向，將流體迅速切向旁路。同步行程開(kāi)關(guān)控制稱(chēng)量顯示器和計數器停止計數。稱(chēng)量顯示器的稱(chēng)量值與計數器的脈沖值進(jìn)行比較，就可以計算出被檢流量計的準確度。通過(guò)定時(shí)器控制電器轉換開(kāi)關(guān)使底球閥動(dòng)作開(kāi)啟，放凈里面的液體，再關(guān)閉排液底球閥，為下次檢定作好準備。

5.1主要設備的誤差
　　稱(chēng)量裝置由電子秤和與其配套的顯示器和稱(chēng)量容器組成。電子秤按規格用標準砝碼進(jìn)行檢定，其稱(chēng)量誤差小于0.02％。為了減小計時(shí)誤差，稱(chēng)量容器要盡可能大，對最大預期流量測量時(shí)差不小于40s，采用柔性管路連接和電氣連接，避免在容器上形成附加力。經(jīng)換向器流向測量容器的流體應盡可能減少流體的沖擊力。測量裝置中空氣浮力形成的誤差用空氣浮力修正系數ξ進(jìn)行修正，ξ=ρs(1/ρ-1/ρp)×100%，其中ρs為空氣密度0.00129g/cm3，ρp為標準砝碼密度(g/cm3)，ρ為介質(zhì)密度(g/cm3)。
　　換向器裝置由換向器和行程開(kāi)關(guān)組成。該裝置在換向過(guò)程中，用來(lái)啟停計數器，使信號傳遞時(shí)間盡可能小。用實(shí)測的方法確定換向裝置的性能，把流量穩定在一固定數值上，在一定間隔時(shí)間內進(jìn)行不少于10次的流量測量。然后取幾種不同的間隔時(shí)間，重復測量。根據實(shí)測所取得的數據計算出換向器誤差。本裝置換向最大系數誤差為0.025％，隨機誤差為0.035％。
　　質(zhì)量流量計由傳感器、變送器和流量數顯/積算器組成，用于廠(chǎng)家進(jìn)行流量和密度校準，并將校準系數輸入到變送器，使流量的精度在讀數的0.2％之內。
　　計時(shí)器采用上海電表廠(chǎng)生產(chǎn)的PPlla通用頻率計，準確度為4.2×10-6，隨機誤差為0.02％。
　　質(zhì)量流量計可以直接在線(xiàn)測量液體的溫度和密度。溫度和密度測量的精度分別為0.5％、0.04％。
5.2裝置穩定性
　　裝置穩定性按管道臺位分別檢定。將流量穩定性在稱(chēng)量裝置最大量限循環(huán)10min。連續進(jìn)行幾次(n≥10次)測量，測量后計算出上限流量的穩定性誤差。
　　其中M?i為第i次測量的質(zhì)量流量，M為Mi的平均值，ta為按tx分布概率為95％的置信度計算。
　　將流量調至稱(chēng)量裝置的下限量，由標定程序計算出下限量及下限的穩定性δm下。經(jīng)實(shí)際測試三個(gè)檢定臺位的穩定性?xún)?yōu)于0.05％。
5.3裝置總誤差(總不確定度)
　　根據ISOS168，用方和根法將全部誤差合成。
　　其中：δ—標準裝置系統誤差，δvmax—檢定點(diǎn) 中最大極限相對誤差，δm—電子秤極限相對誤差，δρ—密度計極限相對誤差，δt1—定時(shí)器相對誤差，δt2—浮力形成的誤差，δt3—換向裝置隨 機相對誤差，δt4—換向器系統誤差。
　　經(jīng)實(shí)際檢定二臺電子秤三個(gè)臺位，每臺的總誤差都優(yōu)于0.05%。