流量計在線檢定特性分析（轉載）

流量計在線檢定特性分析   2005-10-9

作者：黃朝暉

單位：江蘇省計量測試技術研究所

【摘要】簡述了在實際工作介質下在線檢定流量計的方法、流量計檢定裝置的設計依據和工作原理及主要技術參數，并就裝置準確度的可靠性進行了分析；最后詳細介紹了檢定裝置在航天發射場地面推進劑加注系統中的應用情況。認為：運用在線檢定裝置對流量計進行檢定是提高火箭發射加注燃料計量準確度的極好途徑。 【關鍵詞】流量計  在線檢定  特性分析 長期以來，如何保證航天發射場加注系統中使用流量計的計量準確，即如何實現對現場用流量計的準確度進行實際工作條件下的在線檢定，是航天發射場一直探討的課題。由于加注系統工作條件的特殊性（易燃、易爆、毒性、系統全封閉帶壓），目前國內、國際上常用的液體流量標準檢定裝置很難適應此工作條件。為此，我們研制了“FCS－Ⅲ－300/1500型流量計檢定裝置”（以下簡稱“裝置”），主要對發射場里常規推進劑加注系統中在線用流量計開展檢定工作，以此來提高流量儀表在加注使用過程中的計量準確度。該裝置具有準確度高、重復性好、線性優、適應性強、工作壓力高及檢定成本低等特點。并配有時間、頻率、液位數顯系統等，使之操作簡便，直觀并檢定速度快，故而提高了裝置運行的可靠性。裝置中使用的材料均為1Cr18Nj9Tl，密封件采用聚四氟乙烯材質，具有較好的耐腐蝕性能。此裝置的研制成功，填補了航天發射場常規推進劑加注系統中在用流量計在線檢定工作的空白。 為了使裝置在準確度上能得到進一步提高，本文將結合目前國內液體流量標準檢定裝置的現況和裝置的工作特點，依據在對裝置進行檢定、現場調校和利用裝置實液檢定流量計所作的數據，從航天發射場現場用流量計的實際工做條件和需要解決的問題入手，對裝置的設計和工作原理，主要技術參數、檢定、使用情況、使用狀態等方面進行綜合性的全面評價，使裝置的功能和準確度能在現有設計和使用基礎上得到進一步的完善和提高。 1　問題的提出 對在用流量計進行檢定可分為“離線”流量檢定和“在線”流量檢定。“離線”流量檢定是將被檢流量計取離現場，利用液體流量標準裝置在標準狀態下對其的工作特性進行檢定，流量計出廠時所帶的有關測試數據均是在此種條件下做出的，為基本數據。但當儀表應用到各種與流量標準裝置檢定工做條件不相符合的場合，其附加誤差只能由用戶按照制造廠或研究部門提供的模擬實驗數據或經驗數據來估算，很難保證流量計的準確度。現在我國各航天發射場由于本身的特殊工作條件，其使用的流量計均采用上述“離線”方法，每年到指定的具有流量標準檢定裝置的計量機構用水對儀表的準確度進行檢定。當流量計在現場工作時，由于對其附加誤差的估算缺乏理論根據和實驗數據，使其在加注過程中由于流量計準確度誤差所引起的加注誤差也難以控制。而加注燃料數量的準確與否則直接影響到發射試驗的成敗。長期以來，如何確保在加注系統中使用的流量計量值的準確可靠，一直是航天科技工作者探索的課題。為此，提出了在加注系統中設置“在線”流量檢定裝置的想法，具體做法：將特定的流量標準檢定裝置與現場管線做適當的聯接，實現在現場工作條件下對在用流量計進行檢定，以此來克服標準裝置檢定條件與現場使用工作條件的差別（主要是在流體物性和流動狀態二方面）對流量計準確度所帶來的影響。此“在線”流量檢定裝置要求能在流量計不停止工作的條件下，對工作過程中流量計的準確度進行檢定，從而達到控制工作過程中流量計計量準確性的要求。 2　設計依據和工作原理 目前，國內外選用的“在線”液體流量標準檢定裝置有固定式或車裝式標準體積管裝置、可移式計量容器、標準表串校等，但這些裝置很難適應加注系統的使用特點，⑴介質有毒、易燃、易爆、強腐蝕，⑵介質流動采用加注泵進行閉式帶壓循環流動，⑶管線中又無專門控制穩定流場及壓力波動的設備和措施。針對加注系統中的特殊狀況，參照流量標準檢定裝置的設計和使用規范，以相應的JJG164-2000《液體流量標準裝置》、JJG209-1994《體積管》等檢定規程和ISO4185《封閉管道中液體流量的測量－稱重法》等國際標準為依據，采用動態容積法與靜態容積法相結合的設計原理，組成了一種新型的在全封閉帶壓狀態下對流量計實行“在線”檢定的新型動態容積法流量檢定裝置。該裝置采用準確度高的細頸式工作量器（Ⅲ類壓力容器）實施對流經被檢流量計后進入容器內的流體進行計量比對；將閉式氣動換向器與閉式氣動底閥有機地組成一體，裝在工作量器的底部，使液體的進和排液過程中的流場都處于均勻和穩定的狀態。在實現進液或回流快速切換的同時，完成動態檢定和排液等工作。為保證換向器的啟、停動作與加注系統內被檢流量計的計時、計頻的同步性，我們運用了高精度的計時器（晶振精度2×10-6）和高分辨率的頻率計（測頻精度2×10-6），通過安裝在換向器運動行程幾何中點的磁接近開關，同步控制它們的啟、停動作。為確保換向器啟、停動作的一致性，在設計換向器行程和氣缸的幾何尺寸上進行了準確的對稱性計算，并在換向器的流道上采用了中心對稱結構，以確保中點發訊在換向器換向時，一旦通過流體噴流中點時，即開始發訊，計時、計頻同步啟動。使換向器的工作規律恒定，流量分布的變化作為換向器行程的函數具有較好的線性。因此，可使用具有運動緩慢特征的換向器。此處，還采用以容積為單位的連續式液位計（帶電信號遠傳）等數顯監控儀表，組成了加注系統在線檢定裝置。 在檢定過程中，將該裝置直接連接在工作系統中，通過與被檢流量計的流量值Q與其輸出停止號X（脈沖頻率、電壓、電流強度、標尺指示器的偏移）之間的關系：Q＝f（x）即流量計標稱靜態函數，與該裝置的工作量器、頻率計及計時器等基本參數的檢定結果相比較，確定其被檢流量計的準確度或流量計標稱靜態函數的系數。也可以根據工作需要，隨機對工作中的流量計進行動態檢定。 3　主要技術參數 3.1　流量范圍：（50～1700）L/min 3.2　工作量器的準確度：≤0.05級 3.3　工作量器容積：（1500～1800）L 3.4　公稱通徑：DN（25～150）mm 3.5　頻率顯示：LED顯示，顯示范圍0～999999（Hz）           儀表系數設定范圍：0.001～99.999           儀表輸入信號：三線制電壓、脈沖           低電平：（0～2）V           高電平：（12～24）V           占空比：約50％           電源電壓：24VDC 3.6　時間顯示： LED顯示，顯示范圍：（0～999.999）S 時間設定范圍：（0.001～999.999）S 3.7　液位顯示： LED顯示，顯示范圍：（0～9999.9）mm 儀表系數設定范圍：0.001～99.999 高度設定范圍：（0～99999）mm 輸入信號：輸入電流：（4～20）mA 負載電阻：（250～350）Ω 電源電壓：24VDC 3.8　工作壓力：0.6MPa 3.9　工作溫度：（5～40）℃ 3.10　防爆設備防爆等級：dIBT3 3.11　電磁閥供氣壓力：（0.6～0.8）MPa 3.12　供電電源：220VAC、50HZ；2A；24VDC、1A 3.13　換向器的行程時間差：≤20 ms 4　準確度分析 4.1　測試項目及結果 依據JJG164-2000《液體流量標準裝置》檢定規程對裝置進行了測試，結果如下： 4.1.1　計時器 晶振精度系統誤差δt：2×10-6 隨機（顯示）誤差δt：3.3×10-5 4.1.2　工作量器 準確度±0.025％ 4.1.3　氣動換向器 正反向行程差小于20ms 換向器系統誤差δ△t：6.6×10-4 換向器隨機誤差δ△t：4×10-4 4.2　裝置準確度計算 δ＝± 式中：δ0－標準量器的準確度（0.021％） 將測試數據代入公式得 裝置精確度：δ＝± 根據以上計算，并在考慮流量穩定度的影響后，確認該裝置的系統準確度≤±0.1％，可對0.2級、0.5級、1.0級流量儀表進行在線檢定。 5　裝置在加注系統中的應用 5.1　裝置工藝流程 流量檢定裝置設在被檢流量計的后端，介質由貯罐→閥→泵→流量計→電動調節閥→檢定裝置→返回貯罐。工作時，首先打開閥，使貯罐推進劑經泵，流量計，通過調節閥調至所需要的流量進入檢定裝置氣動換向閥的左側管口，再右側管口流出，返回貯罐，工作介質處于循環狀態，待流場穩定后，按數顯控制儀表上的“復位”鍵，再按“準備”鍵，氣動底閥關閉（正常狀態為常開），幾秒鐘后，按“工作”鍵，氣動換向器換向，工作介質即被引入工作量器內，此時，計時器、頻率、液位傳感器等均同步進入工作狀態，此時計時、計頻及液位三個參數同步顯示；隨著工作量器內液位升高，量器內氣體自排氣管排回至貯罐，當工作量器內的液體達到一定位置（或極限位置）時，“液位設定”或“時間設定”動作，氣動換向器即自動換向處于停止位置，介質即恢復原流動狀態（即左側管口進入自右側管口流出），計時器、頻率計均同步停止工作，液位傳感器則繼續跟蹤測量，直到液面穩定。讀取實際液位值，根據被檢流量計的指示值及檢定系統顯示的液位值（也可以通過工作量器上的管式液位人工讀取數值，如顯示值與人工讀取值不一致，應以管式液位計值為基準，并通過調整“液位系統設定值”消除誤差）、時間值及頻率累積值，按照有關流量計的檢定規程，計算出被檢流量計的儀表系數、非線性誤差及儀表準確度，從而達到了流量計在線檢定的目的。 5.2　檢定數據處理 5.2.1　計算每個流量點的儀表系數Ki 式中：Ki－第i流量點的儀表系數（L-1） Kij－第i流量點第j次檢定的儀表系數 ； n－第i流量點檢定的次數，n≥3。 5.2.2　計算流量計平均儀表常數K 5.2.3　計算流量計非線性誤差δ1 5.2.4　計算流量計的重復性誤差δ2 式中：δ2i－為流量計第i流量點的重復性誤差；       C－置信因子，一般取C＝1 5.2.5　計算流量計的準確度δ 式中： δs－檢定裝置的準確度，當δs優于流量計準確度的1/3時，流量計的準確度即為線性度誤差δ1。 6　結束語 裝置目前已使用在太原和酒泉兩個航天發射場上。國防科工委組織有關專家和技術人員對裝置目前的運行狀態和測試數據進行了評定和驗收后。一致認為： 1、裝置設計原理是正確的，設計方案是可行的。該裝置首次將動態容積法的標準體積管測量原理擴展到靜態容積測量原理中，將氣動換向器、氣動底閥合為一體，并在設備結構上實現了“在線”測量，實現了在工作時進液、出液、排液均在裝置下部各自獨立的要求，保證了裝置“在線”測量的隨機性，這在國內尚屬首創。加之裝置在設備、自控方面采取了一系列獨特的工藝設計，保證了裝置的準確度優于0.1級。按照計量器具量值傳遞的原則，完全可以滿足對發射場加注系統中0.2級、0.5級、1.0級液體流量計的檢定工作需要； 2、因該裝置在設計、制造和材料的選擇上均符合加注系統特殊工況的要求，可用火箭常規推進劑作為介質對加注系統中的流量計進行“在線”實際工作下的檢定，解決了加注系統中流量計“離線”檢定所帶來的測量誤差問題，提高了在線流量計工作的準確性和可靠性； 3、通過實際的運轉操作認為，該裝置具有結構緊湊、準確度高、檢定方法直觀、迅速、易操作等特點，應用在火箭常規推進劑液體流量計的“在線”檢定工作中，檢定數據（見附表）準確、可靠、可信，并為銥星發射加注時所采用，大大提高加注系統運行的可靠性和加注的計量準確度。 參考資料 [1] API石油計量標準手冊編譯組.美國石油學會石油計量標準手冊.石油工業出版社，1985. [2] 蘇彥勛等.流量計量.中國計量出版社，1991. 附表1  中國某衛星發射中心燃燒劑系統流量計檢定記錄表 工藝編號：L5        出廠編號：96101 流量值 （L/min） 校驗次數 標準罐容積Vij（1） 流量計脈沖數Nij 校驗時間 T(s) 流量系數 Kij 校驗點流量系數 Ki 平均儀表系數 K 600 1 1571.8875 12617 155.586 0.124585 0.124599 0.1246555 2 1572.4415 12619 155.586 0.124609 3 1566.6245 12573 155.583 0.124602 850 1 1587.1225 12752 110.582 0.124461 0.124460 2 1586.8455 12749 110.584 0.124468 3 1588.2305 12762 110.583 0.124450 1050 1 1586.0145 12748 89.580 0.124413 0.124443 2 1585.1835 12741 89.581 0.124416 3 1583.5215 12719 89.580 0.124500 1250 1 1596.1250 12825 75.581 0.124454 0.12508 2 1594.6015 12807 75.581 0.1224510 3 1602.0805 12962 75.583 0.124559 1500 1 1587.2610 12793 62.583 0.124073 0.124231 2 1587.9535 12777 62.583 0.124282 3 1586.5685 12760 62.580 0.124339 非線性誤差：δ1＝0.1479％ 儀表準確度：δ1＝0.5214％ 附表2  流量計檢定記錄表 編號L5              介質溫度16℃        出廠編號VN296631 公稱直徑Dg25mm     系統壓力0.16MPa    出廠儀表系數K＝8.5842 使用介質：偏二甲肼 序號 流量 （升/分） 累計脈沖 N(Hz) 測量時間 （S） 液位高度 H（mm） 實際容積 V（升） 儀表系數 K’（Hz/升） 1 665 14138 145.440 469/452.6 1631.1537 8.6674 2 667 14163 145.451 456/443.6 1627.5106 8.7022 3 660 14127 145.439 449/434.5 1625.5489 8.6906 4 655 14089 145.426 442/425.6 1623.5872 8.6777 儀表系數K K＝（K’1＋K’2+K’3+ K’4）/4 ＝（8.6674＋8.7022＋8.6906＋8.6777）/4 ＝8.6859 備注 某衛星發射中心校驗數據 附表3  流量計檢定記錄表 編號L1              介質溫度14.7℃       出廠編號 公稱直徑Dg150mm     系統壓力0.12MPa    出廠儀表系數K＝0.4295 使用介質：偏二甲肼 序號 流量 （升/分） 累計脈沖 N(Hz) 測量時間 （S） 液位高度 H（mm） 實際容積 V（升） 儀表系數 K’（Hz/升） 1 1230～1260 674 75.546 266/270.5 1574.2644 0.4281 2 1240 690 77.540 405/397.6 1613.2182 0.4277 3 1240 691 77.594 411/398.9 1614.8996 0.4279 儀表系數K K＝（K’1＋K’2+K’3）/3 ＝（0.4281+0.4277+0.4279）/3 ＝0.4279 備注 某衛星發射中心校驗數據 備注:由于轉載，有些數據丟失