高黏度微小流量标准装置换向系统的实现及验证

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Implementation and Verification of Standard Device Diverter System forHigh Viscosity Small FlowGUAN Zhi-jian，SHEN Feng(AVIC Changcheng Institute of Metrology&Measurement，Beijing 100095，China)Abstract：A technical solution of diverter system for high viscosity small flow is presented.The two-positionthree-way valve of fast response which works as diverter is used to avoid wall phenomenon shortcomings of thetraditional diverter.Dual-time method is used to achieve diverter synchronization and acquisition of meter pulsesignal，and eliminate one pulse counting eli'or ofequency measurement，ensure accurate measurement of timeandequency.Finally a diverter test method of JJG 164-2000 iS used to calibrate the diverter system.Theconclusion is that the relative expanded uncertainty within 1-100 L/h flow range is 0.04%(ic2)，which isverified by comparison experiment。

Key words：smal flow；diverter；dua1.time method高黏度微小流量标准装置用于汹径流量计的检定与校准。流量范围为 1～10000 L/h，装置的扩展不确定度 U0.05%，k2，介质为润滑油。

该装置有两个突出的特点：-是流量很小，最小流量仅1 L/h，处于滴液状态；二是介质黏度大，常温下达到60 cst(1 cst1 mm /s)。换向器为液体流量标准装置的关键部件，用于控制液体换人与换出称量容器。常用换向器口径较大，-般不小于 15 mm，且液体黏度大时挂壁现象严重。为解决该挂壁问题，笔者提出了-种基于快响应电磁阀的汹径、高黏度介质的换向机构，以降低换向不确定度。

1 微小流量标准装置简介液体流量标准装置-般采用质量法、容积法、体积收稿日期：2013-04-18作者简介：官志坚(1979-)，男，湖南桃源人，硕士，工程师，主要从事流量标准装置研制及流量测量等方面工作。

管法、标准表法等进行流量的测量。本文所述装置结合润滑油用流量计的特点，从精度、成本、效率等各方面考虑，采用体积管与电子天平作为主标准器，标准表法为辅助的技术措施。该组合既可以满足高精度流量计校准的需求，又可以大大提高工作效率，同时还可减少体积管与质量法主标准器的使用频率，延长装置使用寿命。其中质量法主标准器用于检定或校准 1～110 L/h流量范围的流量计。

如图1所示，该装置主要由油源管路系统、被动体积管主标准器、电子天平主标准器、换向机构、标准表、采集控制系统、上位机及软件等构成，可满足多种液体流量计的计量校准和检定要求。装置采用油泵从储油罐中抽油或气源排出稳压容器中润滑油的方法产生流量，流体经主标准器、标准流量计、被校准流量计、回油管道流回储油罐中。标准流量由主标准器测量得到，通过比较被校流量计的示值与主标准器测量的标准流量值实现流量计的检定和校准。

· 2· 《测控技术)2013年第32卷第7期气源压力调节稳流容器0.3m滤 .篷 竿广◇ 埒J---恤 DN25 l DN15、DN10、DN6 I /l ① 七 ① 七/2 换向及称量系统设计图1 装置结构简图2.1 换向系统指标该装置微小流量部分采用质量法，由 JJG 164-2000(液体流量标准装置检定规程》可知，装置不确定度的主要分项来自于天平称重、密度测量、时间测量以及换向器。

前三项技术上较成熟，选型后即可计算其不确定度分量，且不确定度相对较小，影响装置不确定度的主要分项是换向器。根据前期选型及计算，要求换向器不确定分量小于等于0.04%。

2.2 换向执行机构设计换向器的主要作用是将液体换入或换出称量容器，传统的换向器如图2所示，初始状态为换向器挡板中心线 L处于A线上。当管道内流量达到稳定指标后，发出开始测量命令，驱动换向器(挡板中心线 L)由A向c方向移动，液体流人称量容器。当计时器的累计时间达到预定时间时，计时器发出停止测量信号，驱动换向器(挡板中心线 L)由C向A方向移动，液体流向回油管。汽缸与挡板相连，通过汽缸的左右运动带动挡板绕中心轴旋转。

图2 传统换向机构这种传统的开式换向器有其-些固有的缺点：①- 般口径不能太小，且流量不能太小，流量太小液体完全顺着墙壁流下，换向误差加大；② 对介质黏度敏感，挂壁现象严重。

本装置为了解决小流量(1-110 L/h)换向以及高黏度润滑油挂壁问题 ，在现有的换向器基础上进行了相应的改进。采用二位三通快响应电磁阀进行换向(换人与换出时间差小于5 ms)，同时采用更接近工况的流量计法对换向器进行检定 ，确保换向机构的高准确度。

考虑到小流量的量程比达到 110：1，使用了2支二位三通快 响应 电磁阀，同时需要采用合适的管径利用液体张力确保润滑油在换向时不产生滴液现象。通过实验确定，在 1-10lMh流量范围内时采用DN2口径的管路，l0～l10 L/h流量范围内时采用DN4口径的管路，不会 出现滴 液 现 象。

图3 本方案换向称量系统2.3 换向控制采集系统设计常用的换向控制采集系统的过程为：系统发出检定开始和停止信号，换向器进行换向，换向器运动过程中，当运动经过换向行程的几何中点位置时，其发讯标杆(俗称挡板)闪档光电传感器，光电传感器输出信号触发系统开始计时、计频(频率信号为较常用的流量计输出信号)。

本文采用二位三通快响应电磁阀作为换向执行机构，无法安装挡板及光电传感器，检定开始和停止信号(即换向信号)就作为计时、计频的开始与停止信号。

也就是说上位机发出的检定开始和停止信号同时给计时、计频电路与换向电路，确保同步。

常用换向控制采集系统的测频电路是由计数器测量换向时间内高频时基的个数与被测流量计输出脉冲的个数，从而得到被测流量计频率，如图3所示。

该方式的固有缺点有：计数器芯片是在脉冲信号高黏度微小流量标准装置换向系统的实现及验证 ·3·的上升沿或下降沿计数，换向开始”指令到下-个脉冲上升沿被计数，可能已损失了将近-个周期的时间，对于换向结束”指令也有同样的情况，最终造成 1个脉冲的计数误差。 由于流量计输出信号的频率有时会很低，这种脉冲和时间的不同步将使计量结果产生较大误差，例如cLG4的涡轮流量计在最小使用流量时它的频率可能为20 Hz，采集 60 S后的总脉冲数如果丢失 1个脉冲，就会产生 0.08%的测量误差 ，这显然满足不了该装置的要求。为了保证其计量准确度，需要较长的检测时间 ，这必然要求选择更大称量范围的天平，但同时会增加成本，且降低了检定的效率。为了克服这些缺点，本文中采用双时间脉冲计数法，如图4所示。

t换向开始 t换向结束 0 1 2 3 4] r] r] r] 厂] 厂L LJ Lj LJ L J幅j v 整脉冲个数B]几 ]1几 ]1 几]1 几 r]r]r-U U U U U U U U U U LJ U U U U U U U U Ui 整脉冲时间C： 换向时间A高频时基图 4 双时l司法基本原理从图4可以看出，在频率测量时，是以换向开始”后第-个脉冲上升沿计数开始”，以换向结束”后第-个脉冲上升沿计数结束”，这样就避免了普通测频电路 1个脉冲的计数误差。

2.4 称量系统选型该装置小流量主标准器是电子天平。电子天平是静态质量法液体流量标准装置的核心设备，其准确度直接影响着整套装置的合成不确定度，选择时综合考虑了流量范围、精度和检定效率，最终选择了2台梅特勒 ·托利多公司的高精度电子天平，具体选型如表 1所示 。

表1 电子天平主要参数表在本文中，最大流量的检定时间最长可达79 S，充分保障了装置计时、计脉冲的精度，最长测量时间为220 s。由于电子天平属于精密仪器，现场震动会对其精度有影响，为了降低此类影响，为两台天平设计了减震底座。对于MS8001S与 MS503天平，由于其分辨力较高，现场的震动与气流都会对其测量造成影响，为此在天平外围安装有机玻璃外框对其密封，避免了空气流动对它的影响。

3 换向器实验及不确定度分析在JG 164-2000(液体流量装置检定规程》中规定了两种换向器检定方法：行程差法与流量计法。采用流量计法时换向器检定状态与使用状态基本-致，能够更为直观准确地表现出换向器的性能，故对换向器采用了流量法对换向器进行检定。

检定流程为装置上安装-台被测流量计，分别在最大、最孝常用流量点按检定流量计的方法进行 1次测量，记录标准器读数 日 测量时间 t 和流量计脉冲数 Ⅳ1 。在与 t 大致相同的测量时间内，操作换向器换向 m次后再进行 1次测量，记录标准器读数 、测量时间t 和流量计脉冲数 Ⅳ2 。以上两次测量作为 1组测试，重复测试 n组，记录B。 、B： t、t 、N1 及 Ⅳ2 (i 1，2，， )。

第 次换向时间差值为 平均值为 n i1△fIA类相对不确定度为- [ o%B类相对不确定度为： ×100%U2B最终实验得到的换向器不确定度如表 2所示。

表2 换向器不确定度得到换向器的相对扩展不确定度 U0.036%，k 2，达到设计要求。

4 不确定度验证该装置的相对扩展不确定度U0.05%，k2，采(下转第7页)物体热发射率在线测试仪 ·7·实时测量被测表面辐射的输出电压 和被测表面温度 ，由式(5)和式(9)，再乘以玻璃板发射率校正值0.94，得到发射率值 G：G ×0.94 (10)得到的发射率与实际发射率存在-定偏差，可以通过若干典型发射率样板进行调校～比值 G与发射率值进行二次多项式拟合，便完成了测量系统的全范围标定。拟合公式如下：s -1.3805G 2.374G-0.0709 (11)4.2 测试使用标定后的测量系统实时在线测量4块样板在多个温度点下的发射率，将其与中科院技术物理研究所给出的测量值进行对比，该测量值达到国家法定计量检定的标准，结果如表 1所示，表中 1 钢板和2 钢板的表面处理不同。由表 1可知，该测量系统的测量值与实际值基本-致，最大误差为0.05，验证了测量系统的准确性，测量表面温度范围为70～300 oC，满足测量系统的要求。

表 1 发射率在线测量验证试验结果5 结束语该发射率在线测试仪采用单罩比值法，对热电堆冷端温度进行补偿，消除半球罩的背景辐射，在线测得被测表面的发射率，测量范围为0.05～O.94，测量误差小于±0.05。由于使用单个探测罩，该测试仪具有体积孝质量轻等特点，被测表面尺寸大小为 0mm，可适应更多被测表面安装状况，系统可靠性也得到提高，具有较好的应用前景。