质量流量计检定装置的研制与应用

Application and Research of Device about Tested Mass Flowmeter

ZHU Yuhua1, LIU Jingfeng2, LI Xiaochun2

(1.Engineering College, Shenyang University of Technologye,
Li aoyang 111003, China;
2.Fushun Petroleum Factory, Fushun 113004, China)

　　Key words: mass flowmeter; standard device; test; design

1质量流量计标准装置的总体设计
　　根据质量流量计测量范围设计的技术指标为：
　　(1)装置的准确度：对于DN25(15) 50(40) 100(80)实验段优于±0.05％。
　　(2)各实验段流量流速：最高流速达到7m/s，每实验段的流量范围度为1∶20。
　　(3)称量时间：在按静态质量法原理工作时，称量容量容积的设计应保证在各实验段的最大流量时，称量时间不小于40s；为减少在最小流量下的称量时间，称量容器可在50％最大称量下使用，此时电子称量系统仍能保证最高精度。
　　(4)称量容量容积：为保证40s的称量时间，各容量容积分别为TK1 500m3、TK2 3000m3。

　　装置主要有流源系统、秤量系统、称量容器、换向装置、质量流量计等主要设备组成。
2.1流源系统
　　流源系统由水泵、水池、真空罐、过滤除气器、阀门管件及变频调速电力控制等组成，本装置主要用于标定科里奥利式质量流量计，采用变频调速稳压法及流量调节结合式，以产生稳定的流源。由于工业管道中，介质流速一般在1～5m/s之间，而且质量流量计流通能力大，范围宽(一般可达10∶1，甚至可达30∶1)，因此选取7m/s为管道最大流速，以适应检定质量流量计的要求。水池容积选择为12m×4.5m×1.8m=97.2m2。水池全长12m，回水顺水各占两头，中间有隔墙设计。由于该装置建设地点地势较洼，地下水位高，因此从防水，防潮出发，把3台机泵设置在地面上，并设计了3个不锈钢真空罐，保证了水泵正常工作。同时在流体进入检定路线前，加过滤除气器，使流体在连续的过程中，保持水质清洁和除去流体中的气体。
2.2秤量系统(电子秤)
　　电子秤是检定装置的关键设备，其灵敏度、精确度、重复性、可靠性决定标准装置的精度。我们选用德国进口(整体)梅特勒托利多多量程、万分之二精度的电子秤，作为流量检定的标准器具。
2.3称量容器
　　共有2台不同容积的称量容器：一台500m3：另一台3000m3，均采用不锈钢制造，并配备气动球阀，气/电转换采用软连接，容器平稳的安装在电子秤台上。
2.4换向装置
　　换向装置由换向器、行程开关和电磁阀组成。它用来改变液流的流向，使流体流向称量容器或流向旁路。该装置通过与之联结的行程开关反馈一个信号进行切换，同时控制计数器和计算机使其开始或停止计量，所以换向装置是整个标准装置中影响精度最直接最关键部件之一，其正反行程差直接导致系统误差。我们选择了丹东通博电器公司生产的电动换向器。切换动作完成后，在横向过程中流体不外溅和溢出，也不对管道内流体的流动产生影响。换向装置单向行程时间小于200ms，正反行程时间差小于20ms。
2.5质量流量计
　　三套台位分别连接了美国罗斯蒙特公司生产的千分之二精度的质量流量计。安装质量流量计的主要作用是：在检定流量时，在线检定介质的密度、温度、流量瞬时值、累积值，实现流量或定量控制，同时对检定流量在线修正和补偿。?

　　控制系统为上、下位机两层结构。上位机采用PC兼容机(具有全配置，包括台湾研华工控机、彩显、24行打印机)，完成运算、制表等功能。下位机为专用PLC(可编程控制器)配有手操面板、控制柜(CLJX-4型数据采集控制柜)等，主要用于将检定管线的流量、温度、压力信号接入，并通过接口与微机进行通讯和数据交换，完成各种控制功能。下位机、称重设备、标准时基与上位机之间均采用RS-485进行通讯。控制系统硬件组成如图1所示。

　　由研华工控机、可编程控制器(RS?485接口，A／D转换)、高稳定时基、手操盘(操作指示面板)、继电器及接线柜、电子秤(梅特勒托力多高精度，多系统工业用电子秤)、电控柜(富士公司变频调速器及手操系统)及机泵(格兰富士公司高稳定机泵)组成。
3.2软件功能及环境
　　以WINDOWS98为主程序软件开发平台，具有控制、运算、动态画面、自诊断、通讯、自动绘制曲线及制表功能。人机界面友好，美观，操作方便。

4.1检定方法
　　该装置以二套电子秤为主要标准设备，采用静态称量法，称测量时间内经换向器流入称量容器内的液体量，检定流量计。
4.2工作原理
　　(1)检定前准备：将被检流量计安装在相应的台位上，用工业风做气密实验。在无渗漏的情况下，打开入口阀、出口阀，然后开泵。使液流经除气过滤器，被检流量计，参照流量计，换向器流入旁路，流回水池，使标准装置处于循环状态。流量的大小用遥控板控制变频调速器，达到控制标准装置的循环流量。一般使流量在检定上限运行10min，以排除系统中的气体，使流量、温度、压力稳定。
　　(2)开始检定：在上述循环过程中，使用变频调速器调节流量使其稳定在检定点上进行循环。在称量显示器上设置予称点，计数器清零。启动定时器，通过电磁阀，使换向器将流入旁路的流体迅速切向称量罐。同步行程开关控制计数器和称量显示器开始记录被检流量计经过的流量(脉冲数)。由定时器使电磁阀控制换向器换向，将流体迅速切向旁路。同步行程开关控制称量显示器和计数器停止计数。称量显示器的称量值与计数器的脉冲值进行比较，就可以计算出被检流量计的准确度。通过定时器控制电器转换开关使底球阀动作开启，放净里面的液体，再关闭排液底球阀，为下次检定作好准备。

5.1主要设备的误差
　　称量装置由电子秤和与其配套的显示器和称量容器组成。电子秤按规格用标准砝码进行检定，其称量误差小于0.02％。为了减小计时误差，称量容器要尽可能大，对最大预期流量测量时差不小于40s，采用柔性管路连接和电气连接，避免在容器上形成附加力。经换向器流向测量容器的流体应尽可能减少流体的冲击力。测量装置中空气浮力形成的误差用空气浮力修正系数ξ进行修正，ξ=ρs(1/ρ-1/ρp)×100%，其中ρs为空气密度0.00129g/cm3，ρp为标准砝码密度(g/cm3)，ρ为介质密度(g/cm3)。
　　换向器装置由换向器和行程开关组成。该装置在换向过程中，用来启停计数器，使信号传递时间尽可能小。用实测的方法确定换向装置的性能，把流量稳定在一固定数值上，在一定间隔时间内进行不少于10次的流量测量。然后取几种不同的间隔时间，重复测量。根据实测所取得的数据计算出换向器误差。本装置换向最大系数误差为0.025％，随机误差为0.035％。
　　质量流量计由传感器、变送器和流量数显/积算器组成，用于厂家进行流量和密度校准，并将校准系数输入到变送器，使流量的精度在读数的0.2％之内。
　　计时器采用上海电表厂生产的PPlla通用频率计，准确度为4.2×10-6，随机误差为0.02％。
　　质量流量计可以直接在线测量液体的温度和密度。温度和密度测量的精度分别为0.5％、0.04％。
5.2装置稳定性
　　装置稳定性按管道台位分别检定。将流量稳定性在称量装置最大量限循环10min。连续进行几次(n≥10次)测量，测量后计算出上限流量的稳定性误差。
　　其中M?i为第i次测量的质量流量，M为Mi的平均值，ta为按tx分布概率为95％的置信度计算。
　　将流量调至称量装置的下限量，由标定程序计算出下限量及下限的稳定性δm下。经实际测试三个检定台位的稳定性优于0.05％。
5.3装置总误差(总不确定度)
　　根据ISOS168，用方和根法将全部误差合成。
　　其中：δ—标准装置系统误差，δvmax—检定点 中最大极限相对误差，δm—电子秤极限相对误差，δρ—密度计极限相对误差，δt1—定时器相对误差，δt2—浮力形成的误差，δt3—换向装置随 机相对误差，δt4—换向器系统误差。
　　经实际检定二台电子秤三个台位，每台的总误差都优于0.05%。