高壓液體流量計標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計方案

一、引言

一般工程應(yīng)用中，大多數(shù)場合假定液體是不可壓縮的，但在個別特殊場合，如壓力高(30MPa)時，則必須考慮壓縮性。以航空液壓油為例，據(jù)估算，工作壓力從0MPa增加至30MPa，其體積變化率約為1.7%，即如果某流量計實際使用壓力為30MPa，而流量計是在常壓下校準(zhǔn)的，那么僅由液體體積壓縮引入的校準(zhǔn)誤差可能已經(jīng)達(dá)到1.7%，這個數(shù)量級的誤差顯然不可忽視。實際工程應(yīng)用中，很多行業(yè)和場合的液壓系統(tǒng)壓力都超過了30MPa，這些系統(tǒng)中的流量計在校準(zhǔn)過程中存在流體體積壓縮問題，采取簡單的壓力修正來解決壓力不同引入的誤差通常是十分困難的。因此，要保證高壓液體流量計量的準(zhǔn)確，在高壓狀態(tài)下進(jìn)行流量計量是科學(xué)且十分必要的。據(jù)了解，目前國內(nèi)建立的高壓液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置還很少，很多技術(shù)問題還有待探討。本文介紹一種高壓液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計方案，用于交流探討。
 

二、裝置工作原理

裝置結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
 

<CTSM>圖1裝置結(jié)構(gòu)原理圖</CTSM>
 

該流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用靜態(tài)質(zhì)量法加標(biāo)準(zhǔn)表法的測量原理，其基本測量方法是基于流體連續(xù)性方程，對標(biāo)準(zhǔn)容積、標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)時間進(jìn)行測量，從而得到標(biāo)準(zhǔn)流量值。如圖1所示，裝置主要包括動力系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)流量計系統(tǒng)、流量和壓力調(diào)控系統(tǒng)和稱重?fù)Q向系統(tǒng)等。為便于探討，選擇如下技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，裝置工作壓力:低壓系統(tǒng)上限壓力為2MPa，高壓系統(tǒng)上限壓力為30MPa；裝置流量范圍:高壓系統(tǒng)流量為(0.01～5)m3/h，低壓系統(tǒng)流量為(0.01～50)m3/h；裝置不確定度指標(biāo):靜態(tài)質(zhì)量法為0.1%(k=2)，標(biāo)準(zhǔn)表法為0.2%(k=2)；裝置介質(zhì)工作溫度范圍:室溫～80℃。
 

三、子系統(tǒng)的設(shè)計與配置

1.動力系統(tǒng)
 

本裝置動力系統(tǒng)主要包括高壓液壓泵、低壓液壓泵、變頻控制器等，其中高壓液壓泵要求噪音低、壓力高、排量大、壽命長、流量脈動小、自吸性好等。另外，由于本裝置循環(huán)系統(tǒng)相對開放，油液少量污染不可避免，因此液壓泵本身不能對油液污染和雜質(zhì)過于敏感。經(jīng)比較，雙作用葉片泵因噪音低、壽命長、壓力脈動小、自吸性好而優(yōu)越于齒輪泵和柱塞泵，進(jìn)口優(yōu)質(zhì)雙作用葉片泵最高工作壓力可以達(dá)到32MPa。因此，項目擬設(shè)計采用雙作用葉片泵作為高壓動力源。螺桿泵具備大流量、無脈動和對油液污染不敏感的優(yōu)點，因此擬采用螺桿泵作為低壓系統(tǒng)循環(huán)、過濾循環(huán)和變溫循環(huán)動力。裝置所用的兩種液壓泵均為容積泵，即泵的流量決定于驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，泵出口處的壓力及流量波動受泵本身性能和電機(jī)轉(zhuǎn)速波動的影響。本裝置所設(shè)計選用的泵本身壓力、流量脈動都很小(低于1%)，因此保證系統(tǒng)流量穩(wěn)定的另外一個關(guān)鍵措施就是保證驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。本項目采取變頻調(diào)節(jié)技術(shù)來實現(xiàn)穩(wěn)定頻率和調(diào)整頻率的功能。另外，為保證動力系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，建議在泵進(jìn)口設(shè)置橡膠彈性補(bǔ)償接頭，進(jìn)油管道應(yīng)短而直。泵出口設(shè)置一定的高壓軟管，泵裝置底座設(shè)置彈性減震墊。
 

2.溫控系統(tǒng)
 

加熱變溫采用電加熱的方式。根據(jù)新充總油量和加熱時間基本合理等因素，擬采用電加熱功率為40kW，由于裝置安全隱患主要來源于液壓油加熱產(chǎn)生的油氣，因此要求電加熱管達(dá)到DⅡBT4防爆要求。加熱器設(shè)計安裝在并聯(lián)的旁通管道上，采用循環(huán)加熱方式，熱量由電加熱元件產(chǎn)生和傳輸。電加熱器工作時產(chǎn)生巨大熱量，油帶走電加熱元件高溫?zé)崮芰浚蜏厣摺．?dāng)電加熱器出口得到工藝要求的高溫油，電加熱器內(nèi)部控制系統(tǒng)依據(jù)輸出口的溫度傳感器信號自動調(diào)節(jié)電加熱器輸出功率，使輸出口的介質(zhì)溫度均勻。當(dāng)發(fā)熱元件超溫時，發(fā)熱元件獨立的過熱保護(hù)裝置立即切斷加熱電源，避免導(dǎo)致發(fā)熱元件燒壞及液壓油變質(zhì)碳化。溫度控制基于PID原理自動調(diào)節(jié)。系統(tǒng)介質(zhì)溫度誤差控制在±1℃。為了節(jié)能和便于系統(tǒng)恒溫，對油箱及管道等做保溫處理。加熱器的靜態(tài)表面加熱功率一般不得超過0.7W/cm2。
 

裝置采用獨立循環(huán)的動態(tài)電加熱系統(tǒng)，這樣的電加熱系統(tǒng)加熱效率高，又能保證油箱內(nèi)的油充分?jǐn)嚢杈鶆颍捌诩訜徇^程不必開啟高壓液壓泵，因此既節(jié)能又延長了高壓液壓泵的使用壽命。需要進(jìn)行變溫實驗，變溫回路加熱循環(huán)，待溫度接近于需要的實驗溫度后再開啟高壓液壓泵使流體進(jìn)行實驗循環(huán)，溫度到達(dá)設(shè)定溫度并恒定后即可進(jìn)行實驗。另外，在裝置進(jìn)行常溫實驗時，由于本系統(tǒng)為高壓大流量系統(tǒng)，系統(tǒng)的功率損失較大，引起液壓油溫度升高而不能滿足實驗條件。因此，油箱容量的確定主要根據(jù)系統(tǒng)功率損失引起的發(fā)熱量，油箱的散熱量以及冷卻器的規(guī)格，通過液壓系統(tǒng)的熱平衡計算來確定。此外，還在系統(tǒng)中設(shè)置有常溫溫控組件，冷卻方式采用熱交換效率高的水冷卻器，采用小型冷卻塔提供循環(huán)冷卻水源。水冷卻系統(tǒng)的水流量通過自控水閥自動控制，從而控制油溫。
 

3.標(biāo)準(zhǔn)流量計系統(tǒng)
 

本項目選用的標(biāo)準(zhǔn)流量計具備高精度、高穩(wěn)定性(重復(fù)性好)、耐高壓、耐高溫等特點，其準(zhǔn)確度在常壓、高壓及高低溫下均優(yōu)于0.2%，使標(biāo)準(zhǔn)表法基本滿足校準(zhǔn)0.5級流量計的要求。為了提高裝置的可靠性，項目擬采用標(biāo)準(zhǔn)容積式流量計組和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量計組。這兩種類型的流量計都具備前述要求的特點，但這兩種類型的流量計各有優(yōu)缺點。容積式流量計在裝置中可以直接得出在線體積流量，因此，有利于提高裝置標(biāo)準(zhǔn)表法的準(zhǔn)確度和可靠性。但容積式流量計通常在黏度較高的場合使用(大于20cSt)才能保證準(zhǔn)確度，而本裝置具備變溫變黏度功能，因此當(dāng)裝置流體加熱、黏度變小時容積式流量計將不能滿足使用要求，另外容積式流量計流量上限一般較小。而質(zhì)量流量計測量不受流體介質(zhì)性能影響，并且可同時測量質(zhì)量流量、體積流量、密度和溫度。但質(zhì)量流量計得到的標(biāo)準(zhǔn)體積流量不是直接量，而且大口徑質(zhì)量流量計耐壓性不如容積式流量計。
 

由此可見，兩種類型流量計互補(bǔ)性很強(qiáng)，搭配或同時使用非常利于提高裝置標(biāo)準(zhǔn)表法的準(zhǔn)確度和可靠性。設(shè)計選用容積式流量計型號分別為VS0.4、VS4和VS10的齒輪流量計，最大測量誤差為±0.3%、重復(fù)性為0.05%；設(shè)計選用質(zhì)量流量計型號分別為DN8、DN25、DN40的科氏力質(zhì)量流量計，最大測量誤差為±0.15%、重復(fù)性為0.05%。所有的標(biāo)準(zhǔn)流量計在使用時應(yīng)按照檢定值使用，如果標(biāo)準(zhǔn)流量計在全量程范圍內(nèi)的線性度均可以滿足本項目要求，便可直接使用標(biāo)準(zhǔn)流量計的線性度進(jìn)行合成。如果標(biāo)準(zhǔn)流量計在全量程范圍內(nèi)的線性度不能滿足本項目要求，那么可根據(jù)每臺標(biāo)準(zhǔn)流量計的具體情況選擇分段使用或定點使用方式來提高其準(zhǔn)確度。另外，給每個標(biāo)準(zhǔn)流量計安裝回路切換閥門，使每個標(biāo)準(zhǔn)流量計既可單獨工作，也可并聯(lián)工作。
 

4.流量和壓力調(diào)控系統(tǒng)
 

主要包括負(fù)載系統(tǒng)、脈沖阻尼器、減壓閥和變頻控制器等。工作介質(zhì)經(jīng)過濾器過濾后直接從油箱到高壓液壓泵，根據(jù)實驗所需要的流量范圍選擇使用大油泵或小油泵，并利用變頻控制器調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將液壓油泵出口的流量調(diào)節(jié)到所需流量。經(jīng)過高壓液壓泵后介質(zhì)被加壓，根據(jù)液壓泵出口壓力決定于負(fù)載大小的原理特性，通過負(fù)載系統(tǒng)來調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)流量計和被檢流量計處的壓力，使壓力達(dá)到要求即可進(jìn)行壓力模擬校準(zhǔn)實驗。裝置的調(diào)壓性能關(guān)鍵取決于比例負(fù)載系統(tǒng)的配置，可以根據(jù)實際情況選用高壓背壓閥、比例溢流閥或液壓負(fù)載等方案進(jìn)行壓力加載。其中高壓背壓閥原理和操控最為簡單且成本低，但其操控性和動態(tài)性能一般；比例溢流閥更便于實現(xiàn)自動控制且動態(tài)性能好，但其成本一般；液壓負(fù)載是在研制條件具備的情況下，借鑒液壓技術(shù)中的功率回收原理進(jìn)行加載，該方案可在加載的同時將系統(tǒng)剩余能量轉(zhuǎn)化為電能或機(jī)械能進(jìn)行回收利用，該方案更加節(jié)能環(huán)保，并且能有效控制油溫升高，但該方案技術(shù)復(fù)雜、成本高。系統(tǒng)高壓油泵出口附近安裝蓄能器以吸收壓力沖擊和流量脈動，另外在比例負(fù)載閥的前部安裝設(shè)置脈沖阻尼器，脈沖阻尼器靠氣體的可壓縮性使不可壓縮的流體脈沖得以緩沖。選擇合適的脈沖阻尼器(理論上其容量是取油泵排量的26倍)即可減少系統(tǒng)90%或更多的脈沖，使輸送流體接近穩(wěn)定流狀態(tài)，脈沖阻尼器與比例背壓閥配合使用可使管路的壓力接近恒定，并能進(jìn)一步減小水錘現(xiàn)象對系統(tǒng)的危害。然后，流體通過一級或多級減壓閥或其他減壓裝置后達(dá)到低壓狀態(tài)，即可進(jìn)行靜態(tài)質(zhì)量法實驗或直接返回油箱完成循環(huán)。
 

5.稱重?fù)Q向系統(tǒng)
 

主要包括電子天平、稱重油箱、放油閥門換向器、光電發(fā)生器、信號同步控制器、標(biāo)準(zhǔn)計時器及配套的氣動電動元器件等。
 

電子天平是項目的核心標(biāo)準(zhǔn)器，其性能直接關(guān)系整個裝置的準(zhǔn)確度和其他性能。因此擬采購進(jìn)口高精度電子天平(或高精度電子秤)，擬采用3臺電子天平。其中小秤量電子天平的最大量程為8.2kg，檢定分度值e為0.1g；中秤量電子天平的最大量程為64kg，檢定分度值e為1g；大秤量電子天平(或高精度電子秤)的最大量程為1000kg，檢定分度值e為100g。為防止電子天平(或高精度電子秤)在做變溫實驗時發(fā)生溫漂，對稱重油箱做保溫處理。根據(jù)項目需求，擬研制3臺換向時間短、行程時間差短且耐高溫的閉式換向器，由于換向器處的液壓油壓力已經(jīng)過多重減壓，且換向器出口直接與大氣連通，換向系統(tǒng)處于低壓工作狀態(tài)，因此設(shè)計壓力等級為2.5MPa即可。
 

四、不確定度合成

該裝置靜態(tài)質(zhì)量法產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)流量的數(shù)學(xué)模型和基本方程如下:
 

式中:qv——裝置的標(biāo)準(zhǔn)體積流量；m——體積；ρ——流體密度；ρa——空氣密度；t——測量時間。由裝置的標(biāo)準(zhǔn)體積流量計算公式可以看出，影響流量測量的不確定度的因素有m、ρ、ρa、t。
 

高壓液壓油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置靜態(tài)質(zhì)量法的不確定度一覽表如表1所示。
 

<CTSM>表1高壓液壓油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置靜態(tài)質(zhì)量法的不確定度一覽表</CTSM>
 

對于標(biāo)準(zhǔn)流量計法，標(biāo)準(zhǔn)流量計的不確定度如下式所示:
 

式中:——檢測標(biāo)準(zhǔn)流量計的標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度；在此項目中即為靜態(tài)質(zhì)量法標(biāo)準(zhǔn)的不確定度，即urB(qs)=uc=0.042%。urA(qi)max——定點使用時即為標(biāo)準(zhǔn)流量計各流量點不確定度的最大值；本項目中約為0.065%。標(biāo)準(zhǔn)表法合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(q)=0.078%；擴(kuò)展不確定度U=0.156%(k=2)。
 

五、結(jié)束語

為保證高壓液體流量計量的準(zhǔn)確，在高壓狀態(tài)下進(jìn)行流量計量是科學(xué)且十分必要的。設(shè)計建造高壓液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是解決高壓流量計量的一種思路和途徑。高壓液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置相比低壓、常壓液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置有著更高的設(shè)計建造要求。文章假定技術(shù)參數(shù)后對裝置的主要子系統(tǒng)進(jìn)行了初步模擬設(shè)計，并對裝置的不確定度進(jìn)行了模擬合成。