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        質量流量計檢定裝置的研制與應用

        作者:江蘇創輝自動化儀表有限公司
        1.質量流量計標準裝置的總體設計
        根據質量流量計測量范圍設計的技術指標為:
        (1)裝置的準確度:對于DN25(15)50(40)100(80)實驗段優于±0.05%。
        (2)各實驗段流量流速:zui高流速達到7m/s,每實驗段的流量范圍度為1:20。
        (3)稱量時間:在按靜態質量法原理工作時,稱量容量容積的設計應保證在各實驗段的zui大流量時,稱量時間不小于40s;為減少在zui小流量下的稱量時間,稱量容器可在50%zui大稱量下使用,此時電子稱量系統仍能保證zui高精度。
        (4)稱量容量容積:為保證40s的稱量時間,各容量容積分別為TK1 500m³、TK2 3000m³。
         
        2.裝置的組成及主要設備
        裝置主要有流源系統、秤量系統、稱量容器、換向裝置、質量流量計等主要設備組成。
        2.1流源系統
        流源系統由水泵、水池、真空罐、過濾除氣器、閥門管件及變頻調速電力控制等組成,本裝置主要用于標定科里奧利式質量流量計,采用變頻調速穩壓法及流量調節結合式,以產生穩定的流源。由于工業管道中介質流速一般在1~5m/s之間,而且質量流量計流通能力大,范圍寬(一般可達10:1,甚至可達30:1),因此選取7m/s為管道zui大流速,以適應檢定質量流量計的要求。水池容積選擇為12mx4.5mx1.8m=97.2m²。水池全長12m,回水順水各占兩頭,中間有隔墻設計。由于該裝置建設地點地勢較洼,地下水位高
        因此從防水,防潮出發,把3臺機泵設置在地面上,并設計了3個不銹鋼真空罐,保證了水泵正常工作。同時在流體進入檢定路線前,加過濾除氣器,使流體在連續的過程中,保持水質清潔和除去流體中的氣體。
        2.2秤量系統(電子秤)
        電子秤是檢定裝置的關鍵設備,其靈敏度、精確度、重復性、可靠性決定標準裝置的精度。我們選用德國進口(整體)梅特勒一托利多多量程、萬分之二精度的電子秤,作為流量檢定的標準器具。
        2.3稱量容器
        共有2臺不同容積的稱量容器:一臺500m³:另一臺3000m³,均采用不銹鋼制造,并配備氣動球閥,氣電轉換采用軟連接,容器平穩的安裝在電子秤臺上。
        2.4換向裝置
        換向裝置由換向器、行程開關和電磁閥組成。它用來改變液流的流向,使流體流向稱量容器或流向旁路。該裝置通過與之聯結的行程開關反饋一個信號進行切換,同時控制計數器和計算機使其開始或停止計量,所以換向裝置是整個標準裝置中影響精度zui直接zui關鍵部件之一,其正反行程差直接導致系統誤差。
        我們選擇了丹東通博電器公司生產的電動換向器。切換動作完成后,在橫向過程中流體不外濺和溢出,也不對管道內流體的流動產生影響。換向裝置單向行程時間小于200ms,正反行程時間差小于20ms。
        2.5質量流量計
        三套臺位分別連接了美國羅斯蒙特公司生產的千分之二精度的質量流量計。安裝質量流量計的主要作用是:在檢定流量時,在線檢定介質的密度、溫度、流量瞬時值、累積值,實現流量或定量控制,同時對檢定流量在線修正和補償。
         
        3.控制及數據處理系統
        控制系統為上、下位機兩層結構。上位機采用PC兼容機(具有全配置,包括臺灣研華工控機、彩顯、24行打印機),完成運算、制表等功能。下位機為專用PLC(可編程控制器)配有手操面板、控制柜(CLX-4型數據采集控制柜)等,主要用于將檢定管線的流量溫度、壓力信號接入,并通過接口與微機進行通訊和數據交換,完成各種控制功能。下位機、稱重設備、標準時基與上位機之間均采用RS-485進行通訊??刂葡到y硬件組成如圖1所示。
        3.1硬件組成
        由研華工控機、可編程控制器(RS-485接口,A/D轉換)、高穩定時基、手操盤(操作指示面板)、繼電器及接線柜、電子秤(梅特勒一托力多高精度,多系統工業用電子秤)、電控柜(富士公司變頻調速器及手操系統)及機泵(格蘭富士公司高穩定機泵)組成。
        3.2軟件功能及環境
        以 WINDOWS98為主程序軟件開發平臺,具有控制、運算、動態畫面、自診斷、通訊、自動繪制曲線及制表功能。人機界面友好,美觀,操作方便。
         
        4.檢定方法及工作原理
        4.1檢定方法
        該裝置以二套電子秤為主要標準設備,采用靜態稱量法,稱測量時間內經換向器流入稱量容器內的液體量,檢定流量計。
        4.2工作原理
        (1)檢定前準備:將被檢流量計安裝在相應的臺位上,用工業風做氣密實驗。在無滲漏的情況下,打開入口閥、出口閥,然后開泵。使液流經除氣過濾器,被檢流量計,參照流量計,換向器流入旁路,流回水池,使標準裝置處于循環狀態。流量的大小用遙控板控制變頻調速器,達到控制標準裝置的循環流量。一般使流量在檢定上限運行10min,以排除系統中的氣體,使流量、溫度、壓力穩定。
        (2)開始檢定:在上述循環過程中,使用變頻調速器調節流量使其穩定在檢定點上進行循環。在稱量顯示器上設置予稱點,計數器清零。啟動定時器,通過電磁閥,使換向器將流入旁路的流體迅速切向稱量罐。同步行程開關控制計數器和稱量顯示器開始記錄被檢流量計經過的流量(脈沖數)。由定時器使電磁閥控制換向器換向,將流體迅速切向旁路。同步行程開關控制稱量顯示器和計數器停止計數。稱量顯示器的稱量值與計數器的脈沖值進行比較,就可以計算出被檢流量計的準確度。通過定時器控制電器轉換開關使底球閥動作開啟,放諍里面的液體,再關閉排液底球閥,為下次檢定作好準備。
         
        5.標準裝置的誤差
        5.1主要設備的誤差
        稱量裝置由電子秤和與其配套的顯示器和稱量容器組成。電子秤按規格用標準砝碼進行檢定,其稱量誤差小于0.02%。為了減小計時誤差,稱量容器要盡可能大,對zui大預期流量測量時差不小于40s,采用柔性管路連接和電氣連接,避免在容器上形成附加力。經換向器流向測量容器的流體應盡可能減少流體的沖擊力。測量裝置中空氣浮力形成的誤差用空氣浮力修正系數ξ進行修正,ξ=ps(1/p-1/Pp)×100%,其中ps為空氣密度0.00129g/cm³,Pp為標準砝碼密度(g/cm),p為介質密度(g/cm³)。
        換向器裝置由換向器和行程開關組成。該裝置在換向過程中,用來啟停計數器,使信號傳遞時間盡可能用實測的方法確定換向裝置的性能,把流量穩定在一固定數值上,在一定間隔時間內進行不少于10次的流量測量。然后取幾種不同的間隔時間,重復測量。根據實測所取得的數據計算出換向器誤差。本裝置換向zui大系數誤差為0.025%,隨機誤差為0.035%質量流量計由傳感器、變送器和流量數顯/積算器組成,用于廠家進行流量和密度校準,并將校準系數輸入到變送器,使流量的精度在讀數的0.2%之內。計時器采用上海電表廠生產的PPlla通用頻率計,準確度為4.2×10的-6,隨機誤差為0.02%。
        質量流量計可以直接在線測量液體的溫度和密度。溫度和密度測量的精度分別為0.5%、0.04%。
        5.2裝置穩定性
        裝置穩定性按管道臺位分別檢定。將流量穩定性在稱量裝置zui大量限循環10min。連續進行幾次(n≥10次)測量,測量后計算出上限流量的穩定性誤差。δm上=(ta/M)x[∑(Mi-M)²/(n-1)]1/2,其中Mi為第i次測量的質量流量,M為Mi的平均值,。為按tx分布概率為95%的置信度計算。
        將流量調至稱量裝置的下限量,由標定程序計算出下限量及下限的穩定性δm下。經實際測試三個檢定臺位的穩定性優于0.05%。
        5.3裝置總誤差(總不確定度)
        根據ISOS168,用方和根法將全部誤差合成。系統誤差δ=(δ²vmax、+δ²m+δ²p+δ²t1+δ²t2+δ²t3+δ²t4)1/2其中:δ一標準裝置系統誤差,δvmax一檢定點中zui大極限相對誤差,δm一電子秤極限相對誤差,δp一密度計極限相對誤差,δt1一定時器相對誤差,δ,t2一浮力形成的誤差,δt3一換向裝置隨機相對誤差,δt4一換向器系統誤差。
        經實際檢定二臺電子秤三個臺位,每臺的總誤差都優于0.05%。
         
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