一种高精度液体流量标准装置

向丽萍，赵普俊，王 海，潘光玲，汪 斌

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

流量计量是科学计量的重要组成部分，液体流量计量与测试技术在各领域得到了广泛的应用，推动并支持了国民经济的不断发展。现阶段，高精度的液体流量标准装置的研究、建立和应用成为了液体流量计量和测试技术发展的主要环节，并普遍引起了国内外的高度重视[1]。

该装置选择以水作介质，采用变频调节，离心式水泵和潜水泵相结合，电磁流量计作传递标准的标准表法和静态质量法作原始标准的高精度液体流量标准装置。其优点是：精度高，可靠性好，流量范围大，性能稳定，运行成本低，操作方便，自动化程度高，对环境无污染。

1 系统的硬件构成

1.1 标准装置的主要结构

标准装置主要由水源系统、试验管路、工作标准、稳压系统、控制系统、监控与数据采集系统6部分组成[2]，其一般构成见图1[3]。

静态质量法液体流量标准装置由稳压水源、试验管路系统、流量调节阀、标准天平、称量容器、换向器、计时器、控制和数据采集处理系统组成。其工作原理为：将被检流量计安装到试验管路中，通过水源循环系统，以天平作为标准器，用秤量一定时间内流入容器内的流体总质量的方法来求出被测液体的流量。比较流量标准器和流量计的输出流量值，确定被检流量计的计量特性。质量法装置的准确度等级较高，可以达到0.05级。

标准表法液体流量标准装置由稳压水源、试验管路系统、标准流量计、流量调节阀、计数计时器、控制和数据采集处理系统组成[4]。其工作原理为：将被检流量计安装到试验管路中，通过水源循环系统，采用高精度电磁流量计作为标准仪表对其他工作用流量计进行校正。从同一时刻开始记录标准流量计和被检流量计的输出信号，经过一段时间同时停止记录，比较标准流量计和被检流量计的输出信号值，确定被检流量计的计量特性[5]。其准确度等级可以达到0.2级。

1.2 试验管路设计

（1）管路口径。设计管路为2个工作台位，分别为 φ15 mm，φ25 mm，φ32 mm，φ40 mm，φ50 mm，φ65 mm 和 φ80 mm，φ100 mm，φ150 mm，φ200 mm，φ250 mm，φ300 mm共12个检测口径试验管路[6]。

（2）密封性。在工作压力下各部件的连接处不应有泄漏现象。

（3）管路条件

1）管道采用并联布置，一条试验管路可以用并联的多台标准电磁流量计，实现标准表的组合能够检定大流量仪器设备的目的。

2）标准流量计的前后直管段应大于标准流量计所需直管段的设计要求。管内流体只有通过足够长的直管段以后才能形成以管道中心线为对称轴的一个抛物面，由于流动过程中存在各种干扰，液体流经阻力件（如弯头、三通、阀门等）时，流速分布会发生畸变以及产生旋涡，这种情况称为非充分发展管流。非充分发展管流只有在很长的直管段末端或加装流动调整器后速度分布才能恢复到充分发展管流。

3）流量调节阀安装在流量计的下游侧，调节阀的调节性能稳定。

4）检测时流体应充满管路，有排气设计，管路后端有背压设计。

1.3 水源稳压系统

其目的是有效保证液体流动时，其任意流量点的压力、流速等运动要素均保持在较小范围波动。

（1）合理配置水泵，根据大、小水泵相组合的原则，采用1台流量可达800m3/h的单级双吸离心式水泵和1台18.5kW井用潜水泵，最大流量满足被检仪器设备的流量范围。

（2）变频调速。采用两台森兰变频调速器（22kW和90 kW），通过对水泵的电机进行变频调速，改变水流量大小。

（3）稳压处理。高精度液体流量标准装置使用的是多层隔离气塞、液气高位溢流卧式稳压罐。液体流量标准装置对流场的流量稳定度要求越来越高，为了提高流量稳定性，系统采用多层隔离气塞加液气高位溢流相结合的卧式稳压技术。流量稳定性达到0.1%，为液体流量标准装置的试验管线提供了单相稳流水源。

2 基于Stardom的数据采集控制系统

Stardom系统是日本横河电机株式会社（YOKOGAWA electric corporation）推出的一套基于网络技术的控制系统（network-based control system）。该控制系统采用了专为电子商务所设计的网络结构，以便更加快速地响应市场的需求和更好地与其他系统互联。而且它又融合了YOKOGAWA在工业自动化领域的专业经验。可靠、运行良好、灵活是Stardom作为一种工业控制系统的显著特点，而且还融合了最新的网络技术，例如WEB，JAVA和安全技术。这些最新的IT技术的使用，使系统更开放、组合更灵活，以满足日益提高的自动化控制平台要求。

2.1 中央自动控制系统

自动控制部分使用一台FCN（现场控制单元）为控制中心，接收来自上位机的数字信号和来自仪表的模拟电信号，发送用于控制的模拟信号，自动完成数模转换。控制系统的功能：对于装置中11个气动阀门、3个换向器、计时器、计数器、2台泵（变频调速）进行自动控制。整个控制系统由工控机、通用计数器、FCN、电磁阀、变频器、继电器、气动阀等组成[7]。FCN通过OPC接口标准与上位机通信，接收来自PC机的数字控制信号，向PC机发送来自标准表、被检表、温度变送器和压力变送器的预处理信号。FCN直接接收来自标准表、被检表、温度变送器和压力变送器的模拟电信号，通过OPC接口转化为数字信号。同样FCN可以向换向电磁阀、变频器、继电器发送用于控制的模拟信号。上位机通过GP-IB卡同通用计数器通信。水流量标准装置控制图见图2。

图2 水流量标准装置控制图

2.2 数据采集和处理系统

（1）液体流量标准装置使用的基于OPC协议的3层架构控制系统。控制系统分为3层：

应用程序层：负责人机对话，所有上位机控制操作均集中于此，检定装置的数据运算也架构于此层；

逻辑控制层：由OPC协议作为中间件，负责高级语言和下位机的通信；

硬件访问层：负责对AD（数字信号，模拟信号）进行控制和采集。

应用程序层和逻辑控制层间采用在TPC/IP上叠加OPC协议进行连接，比常用的232，485，488，Modbus，HART等协议从技术上提升了一代，应用程序层不受通信协议的制约，可自由定制开发上位软件，同时使接口标准化。三层架构使高级语言和硬件之间不直接通信，使应用程序层和硬件层分离，有利于应用程序的开发和硬件层的配置，降低了依赖性；同时中间件的应用为分布式系统提供了平台，可以与其他系统组网。

（2）基于TCP/IP协议的分布式控制系统。液体流量标准装置向流量量值直接溯源是一个比较困难的事情，国际上推崇采用流量比对组件进行量值溯源，流量比对组件一般采用TCP/IP（传输控制协议/因特网互联协议）作为网络协议与被溯源流量装置组网。该装置在控制系统和中间件之间也采用了TCP/IP协议，与比对组件组网简单，并可充分利用单位局域网络资源。流量装置控制系统置身于分布式系统环境，具备了远程监控、远传校准溯源的能力。

通过使用TCP/IP协议，使液体流量标准装置作为网络中的一员可以与其他系统共用资源，并可扩展为BS系统。

（3）数据采集系统。该系统使用Delphi7编程，主要完成录入被检表信息、预设检定方法、流场切换、采集FCN预处理后的信号并记录、原始记录文件导出等功能，发送用于控制变频器和电磁阀的数字信号。当检定流量计夹装完成后，通过预设的各项检定可以自动进行，并保存检定数据。该系统具有自动检定功能，人为设定检定点。系统采用通用工业控制人机界面，符合行业习惯。各种原始数据如检定流量点、称量值、时间、介质压力、介质温度显示在屏幕上供检定员观察。

2.3 开放式换向器同步触发高精度计时计数系统

由换向器引入的不确定度分量是液体流量标准装置测量不确定度的重要分量，开放式换向器对试验介质流场不产生干扰，只要提高换向器的左右行程一致性和触发同步性就能减小换向器引入的不确定度分量，提高液体流量标准装置的测量准确度。该系统的开放式换向器配备了两台相同触发原理的高精度计时计数器，整个计时系统相对扩展不确定度优于10-7，换向器引入的不确定度分量优于0.01%，高于设计指标，处于全国先进水平。

3 装置实际应用情况

（1）作为流量单位量值的统一与传递的标准，确保我国各地区和各部门的流量量值统一在一个标准量值上。

（2）进行标准流量计的型式、性能试验研究工作，通过试验可以确定准确度等级、流量的范围度承受能力、仪表的可靠性与寿命、重复性等。另一方面，通过试验可以研究仪表的动态特性，便于对仪表进行合理设计，进一步考虑仪表适应的环境条件。

（3）研究参比条件和实际使用条件之间的差异对仪表准确度的影响，采用合理的介质换算和修正方法[8]。

（4）开展检定测试及仲裁工作，为流量仪表生产企业行业服务。

（5）制定国家或企业的标准和计量检定规程时，研究测试方法并进行数据的验证。

（6）进行国内外比对工作，确定系统不确定度，修正量值。

4 结束语

高精度液体流量标准装置的建立，完善了我省的流量量传体系，扩大了我省流量仪表的测试范围，有力地推动了我国流量测试技术的进步发展。该装置将担负起国家赋予的西南地区和四川省的流量量值传递任务，并随着目前国家重点项目“南水北调”工程的迅速推进完成，将把我国西南部的水资源不断地通过管道输送到北部的广阔市场。各种仪表特别是大口径流量仪表将会得到大力发展，有利于流量仪表生产厂家技术水平的进一步提高，有利于流量行业自动化水平和使用范围的进一步推广。

[1] 梁国伟.流量测量技术及仪表[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]蔡武昌.流量测量方法和仪表选用指南[C]∥中国仪器仪表学会过程检测控制仪表分会.上海，1994.

[3] 胡煊.液体流量标准装置设计原理[J].内蒙古科技与经济，2008（21）：105-106.

[4] 程亚杰，滕文盛.标准表法在液体流量计检定中的应用[J].工业计量，2003（1）：23-24.

[5]JJG 164—2000液体流量标准装置国家计量检定规程[S].北京：中国计量出版社，2000.

[6] 符传伟.水流量综合标准装置[J].中国测试技术，2004，30（5）：86-88.

[7] 陈青，季忠，秦树人，等.基于虚拟仪器的流体参量集成测试系统研究[J].中国测试技术，2008，34（5）：1-4.

[8] 李长武，张东飞，袁明，等.液体流量仪表在线校准方法研究[J].中国测试，2009，35（5）：27-29.