郭 剛，江航成，沈文新,2

(1.金卡高科技股份有限公司，浙江 杭州 310018; 2浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310018)

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膜式燃?xì)獗頇z定裝置在線校準(zhǔn)技術(shù)研究

郭 剛1，江航成1，沈文新1,2

(1.金卡高科技股份有限公司，浙江 杭州 310018; 2浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310018)

針對傳統(tǒng)參數(shù)分項(xiàng)組合法難以實(shí)現(xiàn)對膜式燃?xì)獗頇z定裝置直接、準(zhǔn)確校準(zhǔn)的問題，提出一種基于氣體質(zhì)量守恒原理的在線動態(tài)校準(zhǔn)方法，研制了一套移動式主動活塞氣體流量校準(zhǔn)器，介紹了該校準(zhǔn)器的結(jié)構(gòu)和工作原理、在線校準(zhǔn)系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)學(xué)模型.對G1.6-4型臨界流噴嘴式膜表檢定裝置進(jìn)行了在線動態(tài)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)測試.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能夠真實(shí)反映檢定裝置的體積示值精度，方便修正，從而有效提高檢定裝置擴(kuò)展不確定度至0.3%(k=2)，進(jìn)而為膜式燃?xì)獗頇z定裝置的在線校準(zhǔn)提供了解決方案.

計(jì)量學(xué)；活塞式校準(zhǔn)器；在線動態(tài)校準(zhǔn)；膜表檢定裝置；臨界流噴嘴.

家用膜式燃?xì)獗?文中簡稱膜表)是國家規(guī)定的強(qiáng)制檢定計(jì)量器具.膜表的檢定裝置通常有三種，即鐘罩式膜表檢定裝置、標(biāo)準(zhǔn)表法膜表檢定裝置和臨界流噴嘴式膜表檢定裝置[1-3].膜表檢定裝置中的主標(biāo)準(zhǔn)器(鐘罩、標(biāo)準(zhǔn)表和臨界流噴嘴)及配套計(jì)量器具(溫度傳感器、壓力傳感器等)均有相應(yīng)的國家計(jì)量檢定規(guī)程和清淅的量值溯源鏈，但膜表檢定裝置指示的標(biāo)準(zhǔn)流量(實(shí)際累積體積流量)是由主標(biāo)準(zhǔn)器、溫度和壓力傳感器三者依據(jù)理論公式合成(參數(shù)分項(xiàng)組合法).事實(shí)上，裝置指示的實(shí)際體積流量還與溫度、壓力傳感器的測點(diǎn)、硬件電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度、上位機(jī)數(shù)學(xué)模型等密切相關(guān).流量是導(dǎo)出量，對氣體流量檢定裝置直接進(jìn)行量值溯源困難.目前通行的做法是在參數(shù)分項(xiàng)組合法的基礎(chǔ)上，用一臺計(jì)量性能相對穩(wěn)定的膜表在多臺膜表檢定裝置上比對測試，用測量結(jié)果的平均值來評估裝置的體積示值[4].近年來臨界流噴嘴式膜表檢定裝置技術(shù)發(fā)展迅速，基于參數(shù)分項(xiàng)組合法的裝置擴(kuò)展不確定度Urel可做到0.5%(k=2)[5-7].但由于裝置主標(biāo)準(zhǔn)器及配套計(jì)量器具的檢定周期不一，不但有礙生產(chǎn)使用，多次拆裝還會導(dǎo)致意外損壞的概率提高，影響計(jì)量器具的使用壽命及裝置的密封性能，而且檢定成本較高.可見，研究臨界流噴嘴膜表檢定裝置在線檢定意義重大.活塞式氣體流量校準(zhǔn)器具有體積精度高，可動態(tài)使用，用于檢定臨界流文丘里噴嘴優(yōu)點(diǎn)突出，是近年流量界研究熱點(diǎn)之一[8-10].本文將研究基于移動式活塞氣體體積校準(zhǔn)器的膜式表檢定裝置在線校準(zhǔn)技術(shù).

1 校準(zhǔn)系統(tǒng)組成

1)活塞式校準(zhǔn)器

校準(zhǔn)系統(tǒng)中氣體活塞作為參比標(biāo)準(zhǔn)器，結(jié)構(gòu)見圖1(a).活塞裝置機(jī)電部件主要由進(jìn)氣控制閥、氣缸、活塞、絲桿套、滾珠絲桿、步進(jìn)電機(jī)、排氣控制閥組成.活塞軸線相對于氣缸軸線有10 cm的偏心距離，以防止活塞運(yùn)動過程中旋轉(zhuǎn).氣缸固定在小推車上，方便移動.氣缸當(dāng)量內(nèi)徑與活塞位移之積構(gòu)成排氣體積，溫度、壓力和濕度傳感器用作氣體體積修正.缸體當(dāng)量內(nèi)徑為0.35 m,最大位移0.75 m，名義體積70 L，活塞設(shè)計(jì)最大運(yùn)動速度0.02 m/s.在熱力學(xué)中把研究對象所包含的物體，用邊界從周圍的環(huán)境中劃分出來，則邊界內(nèi)部的所有物體就是熱力學(xué)系統(tǒng).邊界外部與系統(tǒng)發(fā)生的物體，統(tǒng)稱為外界或環(huán)境.取活塞端面和氣缸壁間的氣體為研究對象，即為熱力系統(tǒng).而活塞端面及氣缸壁所圍成的空間曲面就是邊界，氣缸外的空氣和上活塞桿乃為外界，在這個系統(tǒng)中，沒有物質(zhì)穿過邊界，稱為閉口系統(tǒng).在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中，如果系統(tǒng)與外界沒有熱交換，該過程稱為絕熱過程.若活塞運(yùn)動過程中能維系缸內(nèi)溫度壓力不變，也就是只要知道缸內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)及活塞運(yùn)動的位移量，則提供標(biāo)準(zhǔn)氣體流量成為可能和極為簡單.校準(zhǔn)器的硬件設(shè)備主要包括上位機(jī)、PLC、擴(kuò)展AI模塊、步電驅(qū)動器等，其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2.位機(jī)界面采用VC++編寫.

1-進(jìn)氣控制閥，2-氣缸，3-活塞，4-絲桿套，5-滾珠絲桿，6-步進(jìn)電機(jī)，7排氣控制閥，8-連接器，9-膜表，10-臨界流文丘里噴嘴，11-控制閥，12-真空泵圖1 動態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the flying calibration

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖Figure 2 Design block diagram of system hardware

2)膜表檢定裝置

校準(zhǔn)系統(tǒng)中的受檢裝置是臨界流文丘里式膜表檢定裝置，見圖1(b).檢定裝置的機(jī)械架構(gòu)由膜表(12臺膜表串聯(lián))、主標(biāo)準(zhǔn)器臨界流文丘里噴嘴、控制閥、真空泵及膜表入口和噴嘴入口處的溫壓傳感器等組成.檢定裝置具有獨(dú)立的控制與操作系統(tǒng).裝置檢定膜表的原理是：在真空泵的作用下，當(dāng)噴嘴入口流量滿足臨界流條件時，系統(tǒng)同步記錄t時間內(nèi)流經(jīng)噴嘴的氣體質(zhì)量流量和膜表體積.依據(jù)氣態(tài)方程將噴嘴記錄的標(biāo)準(zhǔn)流量換算到膜表入口處溫壓狀態(tài)下的實(shí)際體積，該體積與膜表同為時間內(nèi)所記錄的體積進(jìn)行比較，可得膜表的示值誤差.

2 動態(tài)校準(zhǔn)原理

借助連接器，氣體活塞校準(zhǔn)器出口與臨界流文丘里膜表檢定裝置入口相連接(見圖1).動態(tài)校準(zhǔn)工作原理是：活塞缸頂端進(jìn)出氣閥打開，在真空泵抽氣作用下，氣體經(jīng)進(jìn)氣控制閥流入缸體，流經(jīng)連接器及被檢膜表和噴嘴.視活塞入口處大氣壓力和氣溫恒定不變，臨界流噴嘴入口處的氣壓和溫度也保持不變，當(dāng)臨界流噴嘴前后的背壓比小于臨界背壓比時，臨界流噴嘴處于臨界流狀態(tài)，此時流過噴嘴的質(zhì)量流量保持不變.按膜表檢定裝置噴嘴的指示流量，設(shè)置電機(jī)以某一速度驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)，帶動活塞向上運(yùn)動，數(shù)秒鐘后(可設(shè)置，一般為3 s)關(guān)閉進(jìn)氣閥，連接器(被檢膜表處)前光電傳感器發(fā)出校準(zhǔn)開始信號，活塞運(yùn)動的體積置換氣缸腔內(nèi)減少的體積，使氣缸內(nèi)的壓力保持不變.運(yùn)動過程中控制系統(tǒng)計(jì)時，并實(shí)時記錄活塞位移、氣缸內(nèi)溫度、壓力、濕度等參數(shù).膜表檢定裝置也同時計(jì)時和記錄連接器處的溫度、壓力參數(shù)和流經(jīng)噴嘴的質(zhì)量流量.到預(yù)定檢定時間，光電傳感器再次發(fā)出校準(zhǔn)信號，進(jìn)氣閥打開，活塞返回起點(diǎn)，單次校準(zhǔn)結(jié)束.若校準(zhǔn)過程中缸內(nèi)壓力單向波動小于20 Pa，檢測有效，否則應(yīng)重新設(shè)定電機(jī)推進(jìn)速度，再次校準(zhǔn).

動態(tài)校準(zhǔn)前已將活塞缸的內(nèi)徑和絲桿套外徑事先置入PC，依據(jù)PC系統(tǒng)記錄的活塞位移、缸內(nèi)氣體溫度、壓力、濕度等參數(shù)，經(jīng)計(jì)算可得膜表裝置體積示值校準(zhǔn)結(jié)果.

活塞工況體積流量

(1)式(1)中：V活塞位移置換的氣體體積；D，d分別為活塞缸內(nèi)徑和絲桿套外徑；L為活塞位移.

氣體屬可壓縮流體，膜表檢定裝置顯示的氣體體積是流經(jīng)連接器處的實(shí)際體積(Vm)，即流經(jīng)噴嘴的質(zhì)量流量換算到連接器處的實(shí)際體積.因此，需將活塞排出的氣體體積也換算為連接器處的體積(Vs)

(2)

式(2)中：Ps和Pm分別活塞缸內(nèi)和連接器處的氣體絕對壓力；Ts和Tm為別為活塞缸內(nèi)和連接器處的氣體絕對溫度.

被校裝置的示值誤差δ和重復(fù)性E分別為:

(3)

(4)

式中dn是極差系數(shù)，與測量次數(shù)有關(guān).

3 實(shí) 驗(yàn)

依據(jù)計(jì)量部門檢測結(jié)果，所研制的氣體活塞校準(zhǔn)器體積擴(kuò)展不確定度為0.02%，流量擴(kuò)展不確定度為0.07%(k=2).活塞進(jìn)氣為實(shí)驗(yàn)時環(huán)境大氣，出口管與檢定裝置首工位或末工位聯(lián)接(見圖1).活塞操作界面設(shè)定為“信號觸發(fā)啟?！?，檢定裝置的脈沖數(shù)設(shè)置為1個脈沖.檢定裝置由9個噴嘴組成，名義流量分別為(4.0、2.0、1.0、0.5、0.2、0.1、0.06、0.025、0.016)m3/h.用該活塞式校準(zhǔn)器可檢定單個噴嘴，也可多個噴嘴組合校準(zhǔn),可測流量范圍0.016～6 m3/h.首次校準(zhǔn)活塞的瞬時流量按檢定裝置顯示的流量設(shè)置，如壓力變化超出不確定度估算值，則需重新設(shè)置流量值.PC也會按氣體絕熱方程估算下一流量設(shè)置值，使之系統(tǒng)快速達(dá)到壓力平衡.典型0.5級G1.6-4型臨界流噴嘴式膜表檢定裝置校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1.

表1 在線校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由各流量點(diǎn)的誤差可知，高區(qū)流量示值誤差最大為0.25%，低區(qū)優(yōu)于0.5%.根據(jù)不確定度計(jì)算公式進(jìn)行不確定度估算(取k=2)，

(5)

其中,

u(Vs)=0.01%u(Ps)=0.0375%,

u(Ts)=0.05%u(E)=0.11%.

保守估算測量結(jié)果的最大擴(kuò)展不確定度Urel(取k=2)計(jì)算得到擴(kuò)展不確定為0.3%.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該移動活塞式校準(zhǔn)器在線校準(zhǔn)臨界流噴嘴法膜表檢定裝置是成功的，膜表檢定裝置體積示值采用體積直接溯源的方法是可行的.其顯著優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的裝置示值誤差包括了溫度和壓力以及主標(biāo)準(zhǔn)器噴嘴、計(jì)時器及系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換精度引入的各項(xiàng)不確定度.在線檢定/校準(zhǔn)膜表檢定裝置聯(lián)接方便，不影響生產(chǎn)，還可依據(jù)實(shí)際檢測結(jié)果修正試驗(yàn)流量點(diǎn)的系數(shù)，可進(jìn)一步提高裝置的體積示積精度，對提高產(chǎn)品調(diào)校質(zhì)量十分有益.

4 結(jié) 語

本文針對膜表檢定裝置分項(xiàng)組合法檢定現(xiàn)狀，研究了基于移動活塞式氣體體積標(biāo)準(zhǔn)器的膜表檢定裝置在線動態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了膜表檢定裝置體積的直接溯源，流量范圍為0.016～6 m3/h，考慮溫度、壓力、主標(biāo)準(zhǔn)器噴嘴、計(jì)時器及系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換精度引入的各項(xiàng)因素影響的裝置總體不確定度為0.3%(k=2).研究結(jié)果為家用膜表檢定裝置提供新的檢定途徑，理論上該活塞氣體校準(zhǔn)器也可用于標(biāo)準(zhǔn)表法和鐘罩式膜表檢定裝置的在線動態(tài)校準(zhǔn).

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An online calibration technique for the diaphragm gas meterverification device

GUO Gang1, JIANG Hangcheng1, SHEN Wenxin1,2

(1.Goldcard High-Tech Co., LTD, Hangzhou 310018, China;2.Zhejiang Province Institute of Metrology, Hangzhou 310018, China)

It is difficult to calibrate a diaphragm gas meter verification device directly and accurately with the traditional multi-parameter method. An online dynamic calibration method based on the mass conservation principle was proposed. We developed a mobile active piston gas flow calibrator. Based on the piston gas flow calibrator, an online calibration system was built up. The framework and mathematical models were presented. Online dynamic tests were carried out with a G1.6-4 type critical flow nozzle diaphragm gas meter verification device. The results show that the volume value of the device can be verfied accurately and conveniently. The uncertainty of the verification device can be improved to 0.3% (k=2).

metrology; gas piston prover; online calibration; diaphragm gas meter test device; critical flow nozzle

2096-2835(2016)03-0254-04

10.3969/j.issn.2096-2835.2016.03.002

2016-04-28 《中國計(jì)量大學(xué)學(xué)報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

郭 剛(1952- )，男，浙江省杭州人，教授級高級工程師，主要研究方向?yàn)闅怏w流量儀表.

E-mail:Guog@china-goldcard.com

TB937

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