可变粘度液体流量标准装置的研究

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流量计量是计量科学的重要组成部分，随着科技不断发展，流量计量也取得很大的进步。其中液体流量计量发展较为明显 ，形成 了多种较为成熟的技术及产品，-定程度上满足了工业现场的需要。但现有液体流量标准装置多是以水为介质，还有部分 以低粘度油为介质。本文提出设计-套可变温润滑油液体流量标 准装置 ，满足高粘度流量计量及科研需要 ，21。

1 装置设计指标本装置为可变温润滑油流量标准，采用静态质量法原理，如图 1为装置设计原理图 J。

1.油箱；2.油泵；3.变温系统；4.指示流量计；5.被检流量计 ；6.换向器；7.称重箱；8电动放油阀图 1 装置原理图装置设计性能指标如下：(1)变温范围：-35-150C(2)温控精度：±1 oC(3)流量范围：0.1-80m。/h(4)扩展不确定度 (k2)：0.05%2 粘度与液体流量标准装置2.1 流体相关知识粘性是指流体所具有的抵抗其微团之间相对运动(剪切变形)的性质，粘度是将粘性量化的量，分为动力粘度和运动粘度4 J。

动力粘度：T， (N。s/m ) (1)运动粘度： 丛， (m /s) (2)P由于粘性的存在，流动时将产生阻力，阻力使流体的-部分机械能转化为热能散失。同时粘性将会影响流体流动状态。

流动状态存在两种型态，即层流和紊流。-般用雷诺数来N，N流体的流动状态。

雷诺数： Re： (3)式中：为特征流速，m/s；d为管内径，m； 为流体运动粘度，m /s。

2.2 规程解读现行液体流量标准装置检定规程为 JJG 164-2000《液体流量标准装置检定规程》5]。

此规程适用于静态质量法、动态质量法、静态容积法、动态容积法、启停质量法及启停容积法液体流量标准等工作的检定。

其中流体条件明确规定，流体应是单相的清洁水或运动粘度不超过35×10 m /s的其他液体。

以静态质量法装置为例，其检定项目主要有外观检测、密封性试验、计时器检定、衡器检定、换向器[收稿 日期]2013-03-04[作者简介]王俊涛 (1981-)，男，河南开封人，工程师，硕士，毕业于福州大学，从事流量计量工作。

工业计量 2013年第 23卷第4期 ·27· 流量计量广------------------- 检定等。

静态质量法装置合成不确定度为： (s s s；s u；u；u；) (4)式中： 为计时器 A类不确定度；s 为衡器 A类不确定度；s，、s 为换向器 A类不确定度； 为计时器 B类不确定度；：为恒器 B类不确定度；u，为换向器 A类不确定度； 为标准砝码相对不确定度。

从检测项目及不确定度分项看，粘度能够造成影响的可能项为换向器及其不确定度。

2.3 粘度与流量标准装置流量标准装置是对流量计性能进行测试的主要设备 ，复现流量量值，并最终溯源到国家的基本量基准 ]。试验管路为圆管，根据需要包括多种标准口径。流量标准装置要求试验过程中，管道内部流场稳定。

从前文分析来看，粘度对液体流量标准可能造成的影响包括以下三个方面：(I)压力损失；(2)管道内流体流动状态；(3)换向器换向性能。

3 装置检定及相应分析3.1 流动状态分析由前文内容可知，粘性流体存在两种流动状态，即层流和紊流。圆管流的流动状态用雷诺数来判断。

- 般取上雷诺系数 Re：13800，下雷诺系数 Re 2300♂合以上理论对新建润滑油液体流量标准装置不同管道和流量下流态分析。

由式 (3)及 Q 可得： 4dQ (5)1T口n e以40ram 口径管路为例，取 d40mm，Re"I3800，Re 2300。

FLOW MEASUREMENT得上述式 (6)、式 (7)q的单位是 m。/h。

0.641Q (6)I，3.844Q (7)中 的单位是 eSt(1cstmm2/s)，根据式 (6)、式 (7)建立图 2，图2为 40mm口径管路流态图，图中有粗细两条斜线将坐标系分为三个区域，其中粗斜线代表雷诺数为2300的流量关系线，细斜线代表雷诺数为 13800的流量关系线，根据流体力学相关知识，粗斜线以上部分 (Re<2300)为层流区，细斜线以下部分 (Re>13800)为紊流区，粗斜线和细斜线中间部分 (2300≤Re≤13800)为过渡区。

3 1O 2O 3O流l/m3·h 1图2 40ram管路流态图00根据试验系统管路内流量及介质粘度依据图2可确定管路内介质流态。根据式 (5)，将不同值代人，可画出其它口径管路流态分布图。

本装置为可变温润滑油流量标准装置，介质为4050航空润滑油，介质粘温关系如图3所示。

图3 4050航空润滑油粘温特性曲线图图3为4050航空润滑油粘度温度关系图，根据此图可快速确定不同温度状态下介质的粘度。再结合图2，可根据管路内流量和介质温度判断介质流态。

3.2 换向器测试本文选择 口径为40mm的换向器进行试验测试。

测试方法：行程差法测试步骤：启动流量装置，将温度变至要求温度点，将流量调至所需的流量点，稳定 10min后，操作换向器，使换向器换向，分别记录换人和换出时间。

如此重复 10次。用以下公式计算出换向器的不确Industrial Measurement 2013 Vo1.23 No.4加 ∞ 舳 ∞ ∞ 加桀FLOW MEASUREMENT 流量计量县----------------------、 ，3.3 不确定度依据 3.2节所列检定要求同时对其它部分进行检定，其数据这里不再列出，运用不确定度合成公式 (4)，取扩展因子 k2，得装置扩展不确定度如表 4。

定度 J：A类相对标准不确定度：[ o% ㈩[ ·o% ㈩B类相对标准不确定度：00% (1 0)式中：train为标准装置最短测量时间，S；t。 、t 为第 i次换入时间和n次t。 的平均值，S；t 、t 为第 i次换人时间和n次 tzi的平均值，S；厅为测量次数。

按以上测试方法规定的步骤及方法对测试数据进行处理，得相应结果如表 1-表 3所示。

表 1 装置在高温状态下换向器的测试数据表表2 装置在常温状态下换向器的测试数据表表3 装置在低温状态下换向器的测试数据表表4 装置的扩展不确定度表 (k2)4 结论(1)从前文理论分析及结果可知，粘度的变化会影响介质在管道 内流动的阻力及介质的流动状态，针对本装置使用 4050航空润滑油，可根据其工作温度 ，管路直径及流量结合图2确定介质流态。由于介质雷诺数处于在过渡区时流动状态不稳定 ，若在此状态工作需要密切关注系统内介质流量及压力的变化。

(2)前文分析已知，对静态质量法液体流量标准装置，介质只能影响换向器工作性能并最终影响装置合成不确定度。从实际试验数据分析可知，在不同温度对应粘度下装置所用换向器性能完全满足要求，装置扩展不确定度可达0.05%。