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高精度瞬态质量流量计检定系统的研制


文章日期:2017-06-17|阅读数:


国际上对发动机排放标准的不断升级,迫使发动机生产企业对柴油机油耗测量方式的升级,由静态法到瞬态法的转换。为有效控制这类计量设备,需要一套可靠有效的校准方法和设备系统对其进行计量校准。采用瞬态质量流量计测量发动机燃料消耗率是必然选择。能达到此目的的流量计中,基于科里奥利原理的质量流量计成为不二选择。现在国内各发动机厂家应用于燃油消耗率测量的设备已大量采用科里奥利(CMF)质量流量计,有较大存量。

对于CMF质量流量计,有JJG1038-2008《科里奥利质量流量计检定规程》,其中对累积流量指标的检定很容易把握和操作。而作为燃油消耗率测量的瞬时流量指标却较难进行。发动机的燃料消耗率指标测量,应用的正是流量计的瞬时流量测量功能。对其校准是本系统要达到的设计目标。

一、系统组成

系统组成总体结构如图1所示,包含如下设备:

系统1.jpg

1.砝码:用于测量流量计流出介质前的电子天平校准。

2.电子天平:用于测量流量计流出介质的质量。

3.通用计数器:提供的时间参数,用于计算标准瞬时流量。

4.检定装置:产生恒定流体,调节流量,切换流体流向,实现流体取样。

5.计算机及软件系统:用于采集流量计测量值、自动控制检定装置、信息处理、计算测量结果和不确定度、管理数据、打印报告证书。
检定装置组成框图如图2所示。

 系统2.jpg

1.检定介质储汇池,用于介质的装盛;2.被检流量计;21.调节阀,用于调节流量大小;3.恒压泵,给检定管路提供压力恒定的流体介质;31.排气阀,装于被检流量计前端,排出流体中的气相成分,保证介质为稳定状态;4.流体收集囊,为一软囊状容器,用于收集采样介质;41、51.电磁阀,用于切换流体流向;5.非采样状态时的流体回流管;6.续流气室,吸收和抑制电磁阀切换时管路内压力的波动。

二、系统工作原理和过程

1.被检流量计与装置安装连接并通电后,由计算机读取流量计内仪表信息,从系统数据库中查找与此流量计对应的信息。如果存在则读取仪表基本信息(如型号、编号、准确度、量程、流量因子等)。如果数据库不存在此流量计信息,则把该流量计信息添加至数据库,建立检定档案。

2.恒压泵工作,使管路中流体压力恒定。

3.打开管路调节阀,使流体通过流量计形成工作状态。此时软件通过计算机控制电磁阀二打开,电磁阀一关闭,流体回路处于旁路状态,流体介质流入介质储汇池。

4.软件控制电磁阀二关闭,电磁阀一打开,改变流体流向,向经过在电子天平上去皮的流体收集囊注入流体介质,同时打开计时器电子阀门开始计时和对被检流量计瞬时流量数值采样。并把数据记录于计算机内存。

5.采样质量和时间都达到满足测量不确定度要求后结束采样,切换流体流向,停止计时。用电子天平衡量出密封于流体收集囊内采集到的流体质量,把质量和时间数据手工输入计算机,由计算机软件处理得到瞬时流量误差和测量结果的不确定度。

6.通过调节阀调节流量大小,重复上述过程。根据检定规程完成各检定点误差测量后,根据测量结果判断合格与否,把测量结果存于数据库,以便生成证书报告。方便随时查阅和输出。

三、关键设计和技术

1.换向阀

累积质量法检测质量流量计可用启停方法获得采样数据。但是对瞬时流量的测量却不能用启停法采样。要获得准确的瞬时流量数据,要考虑流量计的工作滞后性。在管路及被检流量计中的介质,在末端阀门开启时,其流动速度不可能突变为正常稳定状态下的流动速度,有一定的滞后。启停法其瞬时流量曲线如图3所示。

 系统3.jpg

由图3可见,流量计示值在流体开始流动后滞后Δt=t1-t0才达到稳定。在Δt内采集到的示值不能反映真实的流量状态。而在t0时刻时间闸门已开启。要消除Δt内数据对测量结果的影响,采样前应使流过流量计的流体连续稳定,如图4所示,t0和t1分别为采样启停时刻。因此,换向阀的设计采用两个性能参数一致的电磁阀做控制。两个电磁阀始终为一个打开一个闭合状态,这样流量计内流动流体在采样和非采样状态下都不发生变化,保证取样数据准确。通用计数器的时间频标经电路模块的电子闸门返回通用计数器进行计数,获得时间数据。电子闸门开关与电磁阀联动,使采集的流体质量与采样时间严格关联,可计算得到高度准确的标准瞬时流量值。

2.续流气室

在两个换向阀动作时,虽然其性能参数一致,但是也不可能完全同步。在流量计前端压力恒定的情况下,不同步必然造成管路内流体速度的变化,干扰了被检流量计原来稳定的工作状态。为了解决这个问题,在调节阀与换向电磁阀之间设置一个密封的续流气室。因气体的压缩弹性很大,在两个电磁阀动作瞬间,受干扰的流体变化造成的压力变化将被气室内的空气吸收,使液体的速度维持稳定,消除电磁阀动作对流体速度的影响。

3.流体收集囊

用排空后的囊状容器在密封状态下收集采样流体介质而不是用刚性容器,能保证流经被检流量计的流体采样介质任何时候都不暴露在空气中,避免了流体的飞溅和挥发,不损失任何采样质量。在小流量下这是提高和保证测量准确度的关键。

4.软件系统设计

软件系统由通信采样处理、硬件控制、数据处理分析、数据库管理、证书输出五个模块组成。

(1)通信采样:开始采样前,软件通过协议读取流量计内部存贮的信息,用于识别仪表和建立校准档案。开始测量进程后,持续采集被检流量计实时瞬态流量示值数据,间隔为0.5或1秒由操作者设定,并存贮于内存。

(2)硬件控制:根据操作者命令,向电路模块发出电磁阀换向指令,并同时启动时间采样闸门开始记录时间。操作者发出采样结束指令后,程序结束***后一次采样数据处理并切换电磁阀状态,停止采样和计时。

(3)数据处理:程序完成一次采样进程后对采集到的流量数据和操作者输入的质量时间数据进行处理分析,计算平均示值、标准值、示值误差、标准偏差(重复性)、不确定度等数据。完成所有校准进程后综合所有数据,判断合格与否,如不合格可启动校正进程,根据误差大小计算新的流量系数并写入流量计内的存贮芯片,再重新启动校准进程。

(4)数据库管理:为所有受检的流量计建立档案和记录各次校准的所有数据,记录本系统使用的校准器信息,B类不确定度分量信息,方便软件系统调用和计算不确定度,软件可依据库内检定数据形成各次校准报告和证书。

为各校准点分析计算实时的不确定度是本系统的一个***大特点。按数据溯源的习惯性操作,出具校准证书时给出的不确定度数据一般引用合并样本标准差,几乎不会做每个点的不确定度评定计算,此不确定度数据不是实时和实际检定点的,存在一定的局限性。系统的状态和校准过程应与做不确定度评定计算时一致。而本系统的每个不确定度数据都来源于实时数据。

 

 



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