流量计在线检定特性分析（转载）

流量计在线检定特性分析   2005-10-9

作者：黄朝晖

单位：江苏省计量测试技术研究所

【摘要】简述了在实际工作介质下在线检定流量计的方法、流量计检定装置的设计依据和工作原理及主要技术参数，并就装置准确度的可靠性进行了分析；最后详细介绍了检定装置在航天发射场地面推进剂加注系统中的应用情况。认为：运用在线检定装置对流量计进行检定是提高火箭发射加注燃料计量准确度的极好途径。 【关键词】流量计  在线检定  特性分析 长期以来，如何保证航天发射场加注系统中使用流量计的计量准确，即如何实现对现场用流量计的准确度进行实际工作条件下的在线检定，是航天发射场一直探讨的课题。由于加注系统工作条件的特殊性（易燃、易爆、毒性、系统全封闭带压），目前国内、国际上常用的液体流量标准检定装置很难适应此工作条件。为此，我们研制了“FCS－Ⅲ－300/1500型流量计检定装置”（以下简称“装置”），主要对发射场里常规推进剂加注系统中在线用流量计开展检定工作，以此来提高流量仪表在加注使用过程中的计量准确度。该装置具有准确度高、重复性好、线性优、适应性强、工作压力高及检定成本低等特点。并配有时间、频率、液位数显系统等，使之操作简便，直观并检定速度快，故而提高了装置运行的可靠性。装置中使用的材料均为1Cr18Nj9Tl，密封件采用聚四氟乙烯材质，具有较好的耐腐蚀性能。此装置的研制成功，填补了航天发射场常规推进剂加注系统中在用流量计在线检定工作的空白。 为了使装置在准确度上能得到进一步提高，本文将结合目前国内液体流量标准检定装置的现况和装置的工作特点，依据在对装置进行检定、现场调校和利用装置实液检定流量计所作的数据，从航天发射场现场用流量计的实际工做条件和需要解决的问题入手，对装置的设计和工作原理，主要技术参数、检定、使用情况、使用状态等方面进行综合性的全面评价，使装置的功能和准确度能在现有设计和使用基础上得到进一步的完善和提高。 1　问题的提出 对在用流量计进行检定可分为“离线”流量检定和“在线”流量检定。“离线”流量检定是将被检流量计取离现场，利用液体流量标准装置在标准状态下对其的工作特性进行检定，流量计出厂时所带的有关测试数据均是在此种条件下做出的，为基本数据。但当仪表应用到各种与流量标准装置检定工做条件不相符合的场合，其附加误差只能由用户按照制造厂或研究部门提供的模拟实验数据或经验数据来估算，很难保证流量计的准确度。现在我国各航天发射场由于本身的特殊工作条件，其使用的流量计均采用上述“离线”方法，每年到指定的具有流量标准检定装置的计量机构用水对仪表的准确度进行检定。当流量计在现场工作时，由于对其附加误差的估算缺乏理论根据和实验数据，使其在加注过程中由于流量计准确度误差所引起的加注误差也难以控制。而加注燃料数量的准确与否则直接影响到发射试验的成败。长期以来，如何确保在加注系统中使用的流量计量值的准确可靠，一直是航天科技工作者探索的课题。为此，提出了在加注系统中设置“在线”流量检定装置的想法，具体做法：将特定的流量标准检定装置与现场管线做适当的联接，实现在现场工作条件下对在用流量计进行检定，以此来克服标准装置检定条件与现场使用工作条件的差别（主要是在流体物性和流动状态二方面）对流量计准确度所带来的影响。此“在线”流量检定装置要求能在流量计不停止工作的条件下，对工作过程中流量计的准确度进行检定，从而达到控制工作过程中流量计计量准确性的要求。 2　设计依据和工作原理 目前，国内外选用的“在线”液体流量标准检定装置有固定式或车装式标准体积管装置、可移式计量容器、标准表串校等，但这些装置很难适应加注系统的使用特点，⑴介质有毒、易燃、易爆、强腐蚀，⑵介质流动采用加注泵进行闭式带压循环流动，⑶管线中又无专门控制稳定流场及压力波动的设备和措施。针对加注系统中的特殊状况，参照流量标准检定装置的设计和使用规范，以相应的JJG164-2000《液体流量标准装置》、JJG209-1994《体积管》等检定规程和ISO4185《封闭管道中液体流量的测量－称重法》等国际标准为依据，采用动态容积法与静态容积法相结合的设计原理，组成了一种新型的在全封闭带压状态下对流量计实行“在线”检定的新型动态容积法流量检定装置。该装置采用准确度高的细颈式工作量器（Ⅲ类压力容器）实施对流经被检流量计后进入容器内的流体进行计量比对；将闭式气动换向器与闭式气动底阀有机地组成一体，装在工作量器的底部，使液体的进和排液过程中的流场都处于均匀和稳定的状态。在实现进液或回流快速切换的同时，完成动态检定和排液等工作。为保证换向器的启、停动作与加注系统内被检流量计的计时、计频的同步性，我们运用了高精度的计时器（晶振精度2×10-6）和高分辨率的频率计（测频精度2×10-6），通过安装在换向器运动行程几何中点的磁接近开关，同步控制它们的启、停动作。为确保换向器启、停动作的一致性，在设计换向器行程和气缸的几何尺寸上进行了准确的对称性计算，并在换向器的流道上采用了中心对称结构，以确保中点发讯在换向器换向时，一旦通过流体喷流中点时，即开始发讯，计时、计频同步启动。使换向器的工作规律恒定，流量分布的变化作为换向器行程的函数具有较好的线性。因此，可使用具有运动缓慢特征的换向器。此处，还采用以容积为单位的连续式液位计（带电信号远传）等数显监控仪表，组成了加注系统在线检定装置。 在检定过程中，将该装置直接连接在工作系统中，通过与被检流量计的流量值Q与其输出停止号X（脉冲频率、电压、电流强度、标尺指示器的偏移）之间的关系：Q＝f（x）即流量计标称静态函数，与该装置的工作量器、频率计及计时器等基本参数的检定结果相比较，确定其被检流量计的准确度或流量计标称静态函数的系数。也可以根据工作需要，随机对工作中的流量计进行动态检定。 3　主要技术参数 3.1　流量范围：（50～1700）L/min 3.2　工作量器的准确度：≤0.05级 3.3　工作量器容积：（1500～1800）L 3.4　公称通径：DN（25～150）mm 3.5　频率显示：LED显示，显示范围0～999999（Hz）           仪表系数设定范围：0.001～99.999           仪表输入信号：三线制电压、脉冲           低电平：（0～2）V           高电平：（12～24）V           占空比：约50％           电源电压：24VDC 3.6　时间显示： LED显示，显示范围：（0～999.999）S 时间设定范围：（0.001～999.999）S 3.7　液位显示： LED显示，显示范围：（0～9999.9）mm 仪表系数设定范围：0.001～99.999 高度设定范围：（0～99999）mm 输入信号：输入电流：（4～20）mA 负载电阻：（250～350）Ω 电源电压：24VDC 3.8　工作压力：0.6MPa 3.9　工作温度：（5～40）℃ 3.10　防爆设备防爆等级：dIBT3 3.11　电磁阀供气压力：（0.6～0.8）MPa 3.12　供电电源：220VAC、50HZ；2A；24VDC、1A 3.13　换向器的行程时间差：≤20 ms 4　准确度分析 4.1　测试项目及结果 依据JJG164-2000《液体流量标准装置》检定规程对装置进行了测试，结果如下： 4.1.1　计时器 晶振精度系统误差δt：2×10-6 随机（显示）误差δt：3.3×10-5 4.1.2　工作量器 准确度±0.025％ 4.1.3　气动换向器 正反向行程差小于20ms 换向器系统误差δ△t：6.6×10-4 换向器随机误差δ△t：4×10-4 4.2　装置准确度计算 δ＝± 式中：δ0－标准量器的准确度（0.021％） 将测试数据代入公式得 装置精确度：δ＝± 根据以上计算，并在考虑流量稳定度的影响后，确认该装置的系统准确度≤±0.1％，可对0.2级、0.5级、1.0级流量仪表进行在线检定。 5　装置在加注系统中的应用 5.1　装置工艺流程 流量检定装置设在被检流量计的后端，介质由贮罐→阀→泵→流量计→电动调节阀→检定装置→返回贮罐。工作时，首先打开阀，使贮罐推进剂经泵，流量计，通过调节阀调至所需要的流量进入检定装置气动换向阀的左侧管口，再右侧管口流出，返回贮罐，工作介质处于循环状态，待流场稳定后，按数显控制仪表上的“复位”键，再按“准备”键，气动底阀关闭（正常状态为常开），几秒钟后，按“工作”键，气动换向器换向，工作介质即被引入工作量器内，此时，计时器、频率、液位传感器等均同步进入工作状态，此时计时、计频及液位三个参数同步显示；随着工作量器内液位升高，量器内气体自排气管排回至贮罐，当工作量器内的液体达到一定位置（或极限位置）时，“液位设定”或“时间设定”动作，气动换向器即自动换向处于停止位置，介质即恢复原流动状态（即左侧管口进入自右侧管口流出），计时器、频率计均同步停止工作，液位传感器则继续跟踪测量，直到液面稳定。读取实际液位值，根据被检流量计的指示值及检定系统显示的液位值（也可以通过工作量器上的管式液位人工读取数值，如显示值与人工读取值不一致，应以管式液位计值为基准，并通过调整“液位系统设定值”消除误差）、时间值及频率累积值，按照有关流量计的检定规程，计算出被检流量计的仪表系数、非线性误差及仪表准确度，从而达到了流量计在线检定的目的。 5.2　检定数据处理 5.2.1　计算每个流量点的仪表系数Ki 式中：Ki－第i流量点的仪表系数（L-1） Kij－第i流量点第j次检定的仪表系数 ； n－第i流量点检定的次数，n≥3。 5.2.2　计算流量计平均仪表常数K 5.2.3　计算流量计非线性误差δ1 5.2.4　计算流量计的重复性误差δ2 式中：δ2i－为流量计第i流量点的重复性误差；       C－置信因子，一般取C＝1 5.2.5　计算流量计的准确度δ 式中： δs－检定装置的准确度，当δs优于流量计准确度的1/3时，流量计的准确度即为线性度误差δ1。 6　结束语 装置目前已使用在太原和酒泉两个航天发射场上。国防科工委组织有关专家和技术人员对装置目前的运行状态和测试数据进行了评定和验收后。一致认为： 1、装置设计原理是正确的，设计方案是可行的。该装置首次将动态容积法的标准体积管测量原理扩展到静态容积测量原理中，将气动换向器、气动底阀合为一体，并在设备结构上实现了“在线”测量，实现了在工作时进液、出液、排液均在装置下部各自独立的要求，保证了装置“在线”测量的随机性，这在国内尚属首创。加之装置在设备、自控方面采取了一系列独特的工艺设计，保证了装置的准确度优于0.1级。按照计量器具量值传递的原则，完全可以满足对发射场加注系统中0.2级、0.5级、1.0级液体流量计的检定工作需要； 2、因该装置在设计、制造和材料的选择上均符合加注系统特殊工况的要求，可用火箭常规推进剂作为介质对加注系统中的流量计进行“在线”实际工作下的检定，解决了加注系统中流量计“离线”检定所带来的测量误差问题，提高了在线流量计工作的准确性和可靠性； 3、通过实际的运转操作认为，该装置具有结构紧凑、准确度高、检定方法直观、迅速、易操作等特点，应用在火箭常规推进剂液体流量计的“在线”检定工作中，检定数据（见附表）准确、可靠、可信，并为铱星发射加注时所采用，大大提高加注系统运行的可靠性和加注的计量准确度。 参考资料 [1] API石油计量标准手册编译组.美国石油学会石油计量标准手册.石油工业出版社，1985. [2] 苏彦勋等.流量计量.中国计量出版社，1991. 附表1  中国某卫星发射中心燃烧剂系统流量计检定记录表 工艺编号：L5        出厂编号：96101 流量值 （L/min） 校验次数 标准罐容积Vij（1） 流量计脉冲数Nij 校验时间 T(s) 流量系数 Kij 校验点流量系数 Ki 平均仪表系数 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 非线性误差：δ1＝0.1479％ 仪表准确度：δ1＝0.5214％ 附表2  流量计检定记录表 编号L5              介质温度16℃        出厂编号VN296631 公称直径Dg25mm     系统压力0.16MPa    出厂仪表系数K＝8.5842 使用介质：偏二甲肼 序号 流量 （升/分） 累计脉冲 N(Hz) 测量时间 （S） 液位高度 H（mm） 实际容积 V（升） 仪表系数 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 仪表系数K K＝（K’1＋K’2+K’3+ K’4）/4 ＝（8.6674＋8.7022＋8.6906＋8.6777）/4 ＝8.6859 备注 某卫星发射中心校验数据 附表3  流量计检定记录表 编号L1              介质温度14.7℃       出厂编号 公称直径Dg150mm     系统压力0.12MPa    出厂仪表系数K＝0.4295 使用介质：偏二甲肼 序号 流量 （升/分） 累计脉冲 N(Hz) 测量时间 （S） 液位高度 H（mm） 实际容积 V（升） 仪表系数 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 仪表系数K K＝（K’1＋K’2+K’3）/3 ＝（0.4281+0.4277+0.4279）/3 ＝0.4279 备注 某卫星发射中心校验数据 备注:由于转载，有些数据丢失