活塞式體積管在檢定質量流量計中的應用

【摘要】作為容積式的流量標準裝置，活塞式體積管在檢定質量流量計時受操作難度、運行中產生的氣泡和密度測量的方式等影響，在實際中應用較少。本文主要介紹了以水溫測量密度和以雙計時脈沖插值技術測量體積來檢定質量流量計的新方法，并對日常應用中出現的問題進行了分析，提出了改進的方案。

【關鍵詞】活塞式體積管；雙計時脈沖插值技術；質量流量計；檢定

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.01.018

Application of Piston Type Volumetric Tube in Calibrating Mass Flowmeter

LI Jian

（Huludao Inspection and Testing Center，Huludao 125100，China）

Abstract：As a volumetric flow standard device，the piston-type volumetric tube is rarely used in practice due to the difficulty of operation，air bubbles generated during operation，and the method of density measurement when calibrating a mass flowmeter. This paper mainly introduces a new method for calibrating mass flowmeters by measuring density by water temperature and by measuring volume by double timing pulse interpolation technique，and analyze the problems in daily application，and put forward the improvement plan.

Key words：piston volume tube；double timing pulse interpolation technology；mass flow meter；verification

近幾年，錦西石化分公司在物料計量方面采取了以質量為基本量的計量體系，在MES系統應用了大批質量流量計，因此質量流量計的檢定工作受到各有關部門的關注。為解決質量流量計檢定需求，我們結合錦西石化流量檢定裝置的實際情況，在原有基礎上對體積管法質量流量計檢定裝置進行升級改造。經過三年多的運行檢驗證明，以水溫測量密度和以雙計時脈沖插值技術測量體積的體積管法液體流量標準裝置檢定質量流量計時具有體積小、檢定速度快等優點。

1體積管標準裝置的主要設備功能

在JJG 1038—2008《科里奧利質量流量計》檢定規程里，質量流量計標準裝置有質量法液體流量標準裝置、容積法液體流量標準裝置和體積管法液體流量標準裝置。通用的檢定辦法有靜態稱量法、靜態容積加密度計法、標準體積管加密度計法和標準表比較法。我們采用的標準裝置是體積管法液體流量標準裝置，采用的檢定方法是標準體積管加密度法，現將該標準裝置的主要設備功能逐一進行闡述。

1.1流量工作標準（包括主標準和副標準）

裝置主標準器為美國艾默生公司生產的P18系列丹尼爾活塞式體積管，該體積管是直徑為18 inch，排量為120 L的單一材質加工的高精度計量管（計量管上無任何焊點，可以完全保證高精度的溫壓補償），可以在各種工況下滿足多種流量計型號的標定要求。體積管的活塞提升機構為先進的液壓系統，可以平穩的控制活塞；無撞擊動作，可以防止在危險場所產生爆炸。體積管帶有引流管，附帶的溫度和壓力變送器安裝在引流管上，最大限度地保證檢定定時的良好流態。

本裝置主流量工作標準的原理是，當流體穩定地流經被檢流量計和體積管時，通過位移器從兩個檢測開關間的計量段所置換出的流體體積測出體積，然后用溫度傳感器測出水溫，再按照PTB-1968公式計算得到相應的密度。本裝置的副流量工作標準是電磁流量計，通過電磁流量計測定體積，用溫度傳感器測出水溫，再按照PTB-1968公式計算得到相應的密度。

上述兩個工作標準都通過同步采集得到相應量值，輸入計算機指定檢定系統。計算機按照檢定規程要求進行數據處理，并直接輸出被測質量流量計在該流量點的相對誤差Ei及重復性s（Er）。

1.2數據采集控制器

數據采集控制系統采集檢定過程中的數據，自動輸入到微機進行計算處理。微機系統配備相應的檢定軟件，按照國家計量檢定規程的要求進行數據處理。

1.3體積管的的技術指標

流量范圍：0.794～794 m3/h；擴展不確定度：U=0.05%，k= 2；工作壓力：5.0 MPa；介質黏度：0.5～50 cP；標準體積：120 L（30加侖）；計量管材質和活塞材質：17-4PH不銹鋼；檢定介質：水。

1.4水標組件

體積管配置的水標組件包括：管線、連接閥門、壓力表、溫度計等，在水標入口和出口的水標管路上和球閥上要安裝精密壓力表，精度等級優于0.25級。在水標入口管路的閥前加裝1"NPT的短接和活接頭。在水標管路入口、出口安裝精度為二等標準溫度計，測量范圍為0～50℃，分度值0.1℃。作為體積管的溯源器具，選用帶檢定合格證書的120 L容量的二等標準金屬量罐。

1.5電磁流量計的技術指標

精度等級為0.2級，測量口徑為DN50、DN100和DN150。

1.6氣體吹掃設施

在對被檢流量計檢定前，先利用氣體吹掃設施對被檢流量計進行吹掃，將流量計內的介質掃出，以避免流量計內殘留介質對檢定介質水造成污染，影響密度的測量。檢定結束后，利用該設施將被檢流量計內的水吹出。

1.7消氣設施

本標準裝置的消氣設施主要由1座15 m3的穩壓罐、1座消氣過濾器和1套匯流管組成，將檢定過程中產生的氣泡盡量消除掉，確保體積管體積測量的精度，提高測量重復性。

2關鍵的技術

2.1采用雙計時脈沖插值（DCPI）技術，實現小數脈沖的計算

計算機安裝高頻主振蕩器，高頻主振蕩器以0.000001秒的精度計時，控制兩個計數器，分別稱為“計時器A”和“計時器B”。“計時器A”在標志通過第一個檢測開關時開始計數。“計時器B”在“計時器A”開始后的第一個流量計脈沖的前沿到達時開始計數。當標志通過最后一個檢測開關時，“計時器 A”停止。在“計時器A”停止后，“計時器B”第一個流量計脈沖的前沿到達時停止（見圖1）。使用“計時器A”和“計時器B”的比值能夠在萬分之一精度范圍內對流量計脈沖數目精確計數。

3體積管標準裝置對質量流量計進行檢定

體積管標準裝置通過計量標準考核后，根據JJG 1038—2008《科里奧利質量流量計》，利用該裝置對送檢的質量流量計進行檢定，通過三年多的運行，裝置的穩定性和可靠性得到驗證，現對體積管標準裝置檢定質量流量計總結了以下幾個要點。

3.1流量計的安裝

流量計的整個安裝過程中“無應力”至關重要。流量計檢定必須嚴格按照流量計的說明書進行安裝，避免或減少因安裝因素造成的應力，以保證傳感器正常工作。當流量計安裝完畢后將接地線與流量計表體相連。

3.2流量計參數的設置

連接好裝置、配套儀器及流量計的電路，通電預熱30 min，借助手操器檢查流量計參數的設置（流量計因子或K系數、最大流量、最大流量對應的頻率或電流），流量計因子或K系數應與前次檢定證書的值相同。流量計若有多種輸出信號，應首先選用脈沖輸出進行檢定，若對參數進行修改，必須對修改前后的參數進行記錄。

3.3流量計的調零

流量計在最大檢定流量的50%以上運行不少于10 min，然后按使用說明書的要求進行零點調整。

3.4流量計檢定點的選擇和檢定次數的控制

按照規程的要求，流量計的檢定點依次為qmax、0.5qmax、0.2qmax、qmin和qmax。在檢定過程中，每個流量點的每次實際檢定流量與設定流量的偏差不超過設定流量的±5%；每個流量點的檢定次數不少于3次；型式評價的流量計，每個流量點的檢定次數不少于6次。

3.5檢定過程中的壓力控制及體積管氮氣壓力的控制

3.6管道系統的排氣

在整個裝置中，一共有四個排氣部位，由于體積管的重復性易受檢定介質內所含氣體的影響，因此在每個檢定點檢定前必須進行排氣操作。

3.7示值誤差及重復性檢定

當以上工作完成后，啟動流量計自動檢定系統中的誤差及重復性檢定程序，依照規程中規定的檢定點依次進行檢定。依照規程對每點的誤差及重復性進行自動計算，自動判別流量計的誤差及重復性是否符合規程要求。若流量計誤差超差，可以根據以下兩個公式中的任何一個進行流量系數的計算和調整。調整后的流量計依據規程的檢定點重新檢定。

4體積管標準裝置在日常檢定中的技術改進

4.1改造了體積管流量控制回路

原有設計是在體積管的出口主管線（DN200）上安裝了一個手動調節閥進行調節，但是該調節閥在實際使用過程中存在費時費力、調節細度不夠、檢定數據重復性嚴重超差等問題。于是我們在體積管的出口安裝1條DN50的旁路，并且將原有手動閥換成氣動閥，利用主回路粗調旁路細調，嚴格控制體積管內的壓力，提高了檢定數據的重復性。同一臺DN80的質量流量計在100 t/h點的重復性由0.32%降到0.03%。

4.2改造了工藝流程，增加了匯流管

原有設計開始檢定時流量計的誤差總是比實際的誤差小0.3%左右，經過多方分析，我們在被檢流量計前安裝了匯流管，將3個臺位匯流在一起。增加匯流管后，該檢定裝置檢定的質量流量計與遼寧省計量科學研究院檢定的數據比對結果滿足要求。此外，我們還對水質的保持進行了相應的改造，讓流量計在檢定前都進行吹掃和清洗。

總之，經過三年多的運行，活塞式體積管在檢定質量流量計過程中安全、快速、完全被動式檢定等優點得到了充分的體現。活塞式體積管檢定質量流量計的量值傳遞方式穩定可靠，都可溯源到國家相關計量基準。

【參考文獻】

[1]計量標準考核規范：JJF 1033—2008[S].

[2]科里奧利質量流量計：JJG 1038—2008[S].

[3]潘丕武.石油計量技術[M].北京：中國計量出版社，2009.

【作者簡介】

李劍，男，1979年出生，高級工程師，研究方向為計量檢定與校準。

（編輯：李加鵬）