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質(zhì)量流量計標(biāo)準(zhǔn)裝置的總體設(shè)計
　　根據(jù)質(zhì)量流量計測量范圍設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)為：
　　(1)裝置的準(zhǔn)確度：對于DN25(15) 50(40) 100(80)實驗段優(yōu)于±0.05％。
　　(2)各實驗段流量流速：最高流速達(dá)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(tài)質(zhì)量法原理工作時，稱量容量容積的設(shè)計應(yīng)保證在各實驗段的最大流量時，稱量時間不小于40s；為減少在最小流量下的稱量時間，稱量容器可在50％最大稱量下使用，此時電子稱量系統(tǒng)仍能保證最高精度。
　　(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。

　　裝置主要有流源系統(tǒng)、秤量系統(tǒng)、稱量容器、換向裝置、質(zhì)量流量計等主要設(shè)備組成。
2.1流源系統(tǒng)
　　流源系統(tǒng)由水泵、水池、真空罐、過濾除氣器、閥門管件及變頻調(diào)速電力控制等組成，本裝置主要用于標(biāo)定科里奧利式質(zhì)量流量計，采用變頻調(diào)速穩(wěn)壓法及流量調(diào)節(jié)結(jié)合式，以產(chǎn)生穩(wěn)定的流源。由于工業(yè)管道中，介質(zhì)流速一般在1～5m/s之間，而且質(zhì)量流量計流通能力大，范圍寬(一般可達(dá)10∶1，甚至可達(dá)30∶1)，因此選取7m/s為管道最大流速，以適應(yīng)檢定質(zhì)量流量計的要求。水池容積選擇為12m×4.5m×1.8m=97.2m2。水池全長12m，回水順?biāo)髡純深^，中間有隔墻設(shè)計。由于該裝置建設(shè)地點地勢較洼，地下水位高，因此從防水，防潮出發(fā)，把3臺機泵設(shè)置在地面上，并設(shè)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(jìn)入檢定路線前，加過濾除氣器，使流體在連續(xù)的過程中，保持水質(zhì)清潔和除去流體中的氣體。
2.2秤量系統(tǒng)(電子秤)
　　電子秤是檢定裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其靈敏度、精確度、重復(fù)性、可靠性決定標(biāo)準(zhǔn)裝置的精度。我們選用德國進(jìn)口(整體)梅特勒托利多多量程、萬分之二精度的電子秤，作為流量檢定的標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換采用軟連接，容器平穩(wěn)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(guān)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(lián)結(jié)的行程開關(guān)反饋一個信號進(jìn)行切換，同時控制計數(shù)器和計算機使其開始或停止計量，所以換向裝置是整個標(biāo)準(zhǔn)裝置中影響精度最直接最關(guān)鍵部件之一，其正反行程差直接導(dǎo)致系統(tǒng)誤差。我們選擇了丹東通博電器公司生產(chǎn)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(nèi)流體的流動產(chǎn)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(zhì)量流量計
　　三套臺位分別連接了美國羅斯蒙特公司生產(chǎn)的千分之二精度的質(zhì)量流量計。安裝質(zhì)量流量計的主要作用是：在檢定流量時，在線檢定介質(zhì)的密度、溫度、流量瞬時值、累積值，實現(xiàn)流量或定量控制，同時對檢定流量在線修正和補償。?

　　控制系統(tǒng)為上、下位機兩層結(jié)構(gòu)。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(CLJX-4型數(shù)據(jù)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(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換，完成各種控制功能。下位機、稱重設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)時基與上位機之間均采用RS-485進(jìn)行通訊。控制系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

　　由研華工控機、可編程控制器(RS?485接口，A／D轉(zhuǎn)換)、高穩(wěn)定時基、手操盤(操作指示面板)、繼電器及接線柜、電子秤(梅特勒托力多高精度，多系統(tǒng)工業(yè)用電子秤)、電控柜(富士公司變頻調(diào)速器及手操系統(tǒng))及機泵(格蘭富士公司高穩(wěn)定機泵)組成。
3.2軟件功能及環(huán)境
　　以WINDOWS98為主程序軟件開發(fā)平臺，具有控制、運算、動態(tài)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。

4.1檢定方法
　　該裝置以二套電子秤為主要標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，采用靜態(tài)稱量法，稱測量時間內(nèi)經(jīng)換向器流入稱量容器內(nèi)的液體量，檢定流量計。
4.2工作原理
　　(1)檢定前準(zhǔn)備：將被檢流量計安裝在相應(yīng)的臺位上，用工業(yè)風(fēng)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(jīng)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(biāo)準(zhǔn)裝置處于循環(huán)狀態(tài)。流量的大小用遙控板控制變頻調(diào)速器，達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)裝置的循環(huán)流量。一般使流量在檢定上限運行10min，以排除系統(tǒng)中的氣體，使流量、溫度、壓力穩(wěn)定。
　　(2)開始檢定：在上述循環(huán)過程中，使用變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)流量使其穩(wěn)定在檢定點上進(jìn)行循環(huán)。在稱量顯示器上設(shè)置予稱點，計數(shù)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(guān)控制計數(shù)器和稱量顯示器開始記錄被檢流量計經(jīng)過的流量(脈沖數(shù))。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(guān)控制稱量顯示器和計數(shù)器停止計數(shù)。稱量顯示器的稱量值與計數(shù)器的脈沖值進(jìn)行比較，就可以計算出被檢流量計的準(zhǔn)確度。通過定時器控制電器轉(zhuǎn)換開關(guān)使底球閥動作開啟，放凈里面的液體，再關(guān)閉排液底球閥，為下次檢定作好準(zhǔn)備。

5.1主要設(shè)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(guī)格用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)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，對最大預(yù)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(jīng)換向器流向測量容器的流體應(yīng)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(shù)ξ進(jìn)行修正，ξ=ρs(1/ρ-1/ρp)×100%，其中ρs為空氣密度0.00129g/cm3，ρp為標(biāo)準(zhǔn)砝碼密度(g/cm3)，ρ為介質(zhì)密度(g/cm3)。
　　換向器裝置由換向器和行程開關(guān)組成。該裝置在換向過程中，用來啟停計數(shù)器，使信號傳遞時間盡可能小。用實測的方法確定換向裝置的性能，把流量穩(wěn)定在一固定數(shù)值上，在一定間隔時間內(nèi)進(jìn)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(fù)測量。根據(jù)實測所取得的數(shù)據(jù)計算出換向器誤差。本裝置換向最大系數(shù)誤差為0.025％，隨機誤差為0.035％。
　　質(zhì)量流量計由傳感器、變送器和流量數(shù)顯/積算器組成，用于廠家進(jìn)行流量和密度校準(zhǔn)，并將校準(zhǔn)系數(shù)輸入到變送器，使流量的精度在讀數(shù)的0.2％之內(nèi)。
　　計時器采用上海電表廠生產(chǎn)的PPlla通用頻率計，準(zhǔn)確度為4.2×10-6，隨機誤差為0.02％。
　　質(zhì)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(wěn)定性
　　裝置穩(wěn)定性按管道臺位分別檢定。將流量穩(wěn)定性在稱量裝置最大量限循環(huán)10min。連續(xù)進(jìn)行幾次(n≥10次)測量，測量后計算出上限流量的穩(wěn)定性誤差。
　　其中M?i為第i次測量的質(zhì)量流量，M為Mi的平均值，ta為按tx分布概率為95％的置信度計算。
　　將流量調(diào)至稱量裝置的下限量，由標(biāo)定程序計算出下限量及下限的穩(wěn)定性δm下。經(jīng)實際測試三個檢定臺位的穩(wěn)定性優(yōu)于0.05％。
5.3裝置總誤差(總不確定度)
　　根據(jù)ISOS168，用方和根法將全部誤差合成。
　　其中：δ—標(biāo)準(zhǔn)裝置系統(tǒng)誤差，δvmax—檢定點 中最大極限相對誤差，δm—電子秤極限相對誤差，δρ—密度計極限相對誤差，δt1—定時器相對誤差，δt2—浮力形成的誤差，δt3—換向裝置隨 機相對誤差，δt4—換向器系統(tǒng)誤差。
　　經(jīng)實際檢定二臺電子秤三個臺位，每臺的總誤差都優(yōu)于0.05%。