主動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)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)簡單、體積小、計量精度高、易實(shí)現(xiàn)自動化的優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外計量機(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，測量擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.01(k=2)的被動式活塞液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，可用來實(shí)現(xiàn)對碳?xì)浠衔镆后w流量計的檢定[2]；臺灣工業(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在生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的計量精度；浙江省計量科學(xué)研究院針對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]。

本研究以某計量院檢定需求為依托，針對小流量儀表業(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)了小流量儀表的快速、自動、高精度檢測。

1 裝置總體設(shè)計

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)、動力系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)4個部分。

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)與傳動機(jī)構(gòu)。其中，伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、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)動執(zhí)行單元，由螺桿、螺母和滾珠組成[5-7]。

測量系統(tǒng)主要包括位移測量單元、時間測量單元、溫度和壓力數(shù)據(jù)采集單元3個部分。位移量的測量由編碼器及絲桿配合完成，編碼器將絲桿的轉(zhuǎn)動圈數(shù)以脈沖的形式記錄，結(jié)合絲桿的導(dǎo)程參數(shù)，從而計算得到柱塞位移值。時間測量由下位機(jī)PLC毫秒定時器來完成，在測量位移的同時，執(zhí)行定時器指令啟動定時，每1 ms觸發(fā)一次定時中斷，待裝置測量結(jié)束，讀取存貯器內(nèi)中斷次數(shù)，得到測量時間間隔。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，可對計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、流量計脈沖等信號。

表1是設(shè)計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，電機(jī)驅(qū)動絲桿組件旋轉(zhuǎn)，帶動柱塞沿缸體軸線作勻速直線運(yùn)動，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，得到流量計的示值誤差，也可以計算被檢流量計的系數(shù)、線性度及重復(fù)性等參數(shù)，從而達(dá)到校準(zhǔn)流量計的目的。

2 不確定度評定

2.1 裝置數(shù)學(xué)模型

柱塞式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用“動態(tài)位移-時間法”原理，基于流體連續(xù)性方程，對容積和時間進(jìn)行測量，從而得到瞬時體積流量。

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—— 檢定時間，h

D—— 20 ℃時柱塞的直徑，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 不確定度分量評定

由式(7)分析可得，影響流量測量不確定度的分量有：

(1) 柱塞外徑引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(D)；

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

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

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

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

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

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

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

(9) 漏失量引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(α)；

(10) 測量時間引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(t)；

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

以上11個分量相互獨(dú)立，各個分量是乘積的形式，qv的相對合成不確定度為[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)

裝置流量測量不確定度評定如表2所示。

表2中的數(shù)據(jù)表明：裝置的測量不確定度主要由柱塞直徑、裝置重復(fù)性兩個因素引起。根據(jù)上述計算可知，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)量法對其標(biāo)準(zhǔn)容積進(jìn)行校準(zhǔn)[10]。校準(zhǔn)時，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)，對流場變化較為敏感的流量儀表在測試分析時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)定性測試結(jié)果如表4所示。

由測試結(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)多個密封元件在低速運(yùn)動時摩擦阻力增大，且有一定波動。使得柱塞低速運(yùn)動時平滑性變差，這也是在結(jié)構(gòu)設(shè)計和運(yùn)動控制中所要關(guān)注的重要環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論

基于主動柱塞式的工作原理，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)動部件，通過控制柱塞勻速運(yùn)動等量置換出缸內(nèi)液體來實(shí)現(xiàn)計量功能。測試流量范圍為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)液體流量裝置檢測周期長、檢測結(jié)束才能給出標(biāo)準(zhǔn)值的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)流量時間法的動態(tài)檢測，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%。