某液體微小流量標準裝置設計及建立

劉 巖

（國防科技工業4113 二級計量站，河南 新鄉 453049）

在航空發動機的測試參數中，燃油流量是評定發動機性能的重要指標之一。航空發動機控制系統的模擬實驗中，流量測量的準確性對于航空發動機控制系統的控制動態和穩態性及模擬試驗的成功和有效性有著至關重要的影響。航空動力控制系統中各種活門的性能測試也越來越多地需要高精度微小流量傳感器。目前，國防及民用領域能夠開展檢定或校準工作的燃油流量標準裝置的測量范圍均無法滿足這些流量計的全量程測量。因此，本項目需求迫切，經濟和軍事效益顯著。初步將裝置性能指標定為流量范圍（0.02～100）L/min，擴展不確定度0.1%，k=2。

1 裝置原理

本裝置基本原理結構如圖1 所示。主油箱負責存儲工作液體，泵組負責提供系統動力，換向系統負責控制工作液體在稱重系統和旁路系統之間的快速切換，稱重系統負責采集測量時間內流入稱重油箱的工作液體的標準質量。同步計時系統由換向系統觸發，實現準確的稱重時間記錄和采集。

圖1 裝置原理圖

標準質量流量：

標準體積流量qv通過換算即可得到

式中：m 為工作液體質量，kg；

t 為檢定時間，s；

ρ 為修正后的工作液體密度，kg/m3。

通過比較被校流量計的指示流量q 和標準流量qv，可得出被校流量計的誤差，也可以通過公式計算出被校流量計的系數K、線性度等參數，以得到檢定校準的結果。

2 裝置構成

2.1 微小流量源系統

本項目選用CDL4-8 立式不銹鋼多級離心泵，在0.4 MPa 壓力環境下其理論流量可達100 L/min。多級離心泵采用立式結構，具有占地面積小、運行平穩、震動小、高效節能、外形美觀等特點。泵進出口口徑相同且同心對稱，方便安裝在管道的任何部位。

系統流量的粗調是通過使用變頻控制器和調節器調整驅動電機的轉速來實現的。主管道設置流量調節閥和微調分流閥，能夠精確調節系統流量并最終將系統流量調節到所需的流量。從而連續精確地調節和控制裝置的流量。

2.2 精密換向和稱重系統

稱重換向系統由精密稱重系統、微型精密換向系統、多功能計數器、信號同步控制器、光電發生器及稱重箱等機構組成。

稱重系統選用兩套電子天平組成兩個稱重臺位以適應本設備較寬的流量范圍，具體性能指標見表1。

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

表1 電子天平詳細參數

6 200 g 稱重油箱在進行了多次實驗比較后，采用了塑料輕質容器，極大地減少了皮重和附加質量，采用電動的方式放油；40 kg 稱重油箱采用定制的特殊結構的超薄不銹鋼水箱，采用氣動的方式放油。

換向系統采用一DN15 氣動閉式換向器和一DN5開式換向器，實現液體的快速精準換向。大臺位使用閉式換向器可以有效避免大流量時液體的飛濺，小臺位使用開式換向器換向時間短、行程時間差短可以減少在微小流量時所引入的誤差。利用我站已掌握的換向調節的專利技術，能夠實現換向時間和換向精度的精準調節，提高換向系統和整個臺位的精度。換向計時信號采用電磁閥控制信號同時觸發，能有效保障換向系統的精準和同步。

2.3 流量計串接式夾裝臺

流量計在安裝使用時一般都有前后直管段的要求，故在計量檢定時我們滿足這些條件，本項目在DN15 手動夾表器的基礎上設計一串接式夾裝系統在滿足流量計檢定要求的基礎上，使用合理的布局，便捷的安裝方式，實現多塊流量計串接，可同時檢定最多四塊同口徑流量計，大大增加實驗效率。

2.4 測控系統

測控系統為上、下位機兩層結構。上位機采用PC工控機，數據處理、文件管理、結果的記錄和打印等功能；下位機由數據采集模塊、I/O 通訊模塊和邏輯控制模塊構成，用于各種信號的接收，與PC 工控機采用RS232 通訊進行數據交換和功能控制。

裝置軟件具有狀態監控、設置參數、控制校準、處理數據及管理文檔等功能。裝置軟件的工作流程如圖2 所示，首先選擇計量檢定規程，在對流量計或流量儀表的檢定、校準工作后，遵照規程進行相應的數據處理，最后生成原始記錄存檔并打印證書。

圖2 軟件流程示意圖

系統測控系統軟件由VC++平臺開發，可以實現計算機自動控制、數據采集處理和報表打印。整個系統的工作情況直觀地顯示在一個界面上，系統運行穩定，可靠性強，滿足系統需求，使用方便的同時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 數學模型

質量法裝置累積質量流量為

式中：Qm為質量流量的累積量，kg；

m 為液體在測量時間內進入稱量容器內質量，kg；

Cf為空氣浮力的修正系數。

式中：ρa為空氣密度，kg/m3；

ρm為檢定時衡器的標準砝碼密度，kg/m3；

ρ 為檢定時液體密度，kg/m3（修正后）。

質量法裝置瞬時質量流量為

式中：qm為瞬時質量流量，kg/s；

t 為測量時間，s；

質量流量與體積流量的換算關系為

3.2 裝置的不確定度評定

參考國家計量檢定規程JJG 164—2000《液體流量標準裝置》的有關規定，該裝置不確定度由以下幾個分量組成。

3.2.1 計時器引入的不確定度

將計時器和標準計時器連接，同步二者計時的啟、停信號。檢定的時間間隔取裝置使用的最短測量時間tmin（s），啟、停計時器，分別讀取計時器值ti（s）和標準計時器值t0i（s），即為1 次檢定過程。共需重復n（n≥10）次檢定。

第i 次差值：△ti=ti-t0i。

A 類相對標準不確定度：

B 類相對標準不確定度：

具體數據見表2。

表2 計時器檢定數據

A 類相對標準不確定度：s1=0.0035%，

B 類相對標準不確定度：u1=0.0015%。

3.2.2 衡器引入的不確定度

由于稱重系統測試不受介質溫度、壓力及流量等因素影響，因此稱重系統測試在設備相對靜止狀態下進行。在每個稱重臺位的量程范圍內均勻分布10 個檢定點，用標準砝碼從j=1 逐步加載到j=10 為第一次檢定，再從j=10 逐步卸載到j=1 為第二次檢定。記錄加載的標準砝碼質量、卸載的標準砝碼質量、電子秤的讀數Rm以及空載時電子秤讀數的平均值R0，分別計算出各測試點的不確定度。

A 類相對標準不確定度為

B 類相對標準不確定度為

式中：△mi為在負載（mj+R0）時，第i 次測量的差值，△mi=Rmi-（mj+R0），kg；△m 為第j 點的平均值，kg；mj為第j 點砝碼的標準質量，kg；Rmi為質量mi的標準砝碼第i 次檢定時電子秤的示值，kg。

具體數據見表3、表4。

表3 6 200 g 電子天平數據（R0=1 000 g）

表4 40 kg 電子天平數據（R0=0 kg）

取不確定度最大值作為最終結果。

A 類相對標準不確定度：s2=0.042%。

B 類相對標準不確定度：u2=0.016%。

3.2.3 換向器引入的不確定度

采用行程差法進行檢定：將設備流量調到所需的流量附近，在穩定循環10 min 后，使換向器在旁路和稱重箱之間連續換向，分別記錄換入和換出時間，往復進行10 次。

A 類相對標準不確定度為

B 類相對標準不確定度為

式中：tmin為標準裝置最短測量時間，s；t1i為第i 次換入時間，s；t2i為第i 次換出時間，s；t1和t2分別為n 次t1i和t2i的平均值，s。

具體數據見表5、表6。

表5 6 200 g 小臺位數據

表6 40 kg 大臺位數據

取不確定度最大值作為最終結果。

A 類相對標準不確定度：s3=0.0022%，

B 類相對標準不確定度：u3=0.0037%。

3.3 裝置的不確定度評定結果

合成標準不確定度為：

裝置擴展不確定度：U=0.091%（k=2）。

4 結論

本文介紹了裝置的靜態質量法的測量原理，并從精密稱重系統、換向計時系統、微小流量源系統、流量計串接式夾裝系統及測控系統幾個方面介紹了裝置主要研究內容的技術方案。對裝置整體不確定度的組成進行分析及檢定測試，最終得出結論本裝置的擴展不確定度為0.091%（k=2），滿足提出的所有技術指標。