水流量标准装置的设计与研究

谢文强，燕南飞，薛 琴

（中国煤炭科工集团西安研究院有限公司，西安 710077）

煤矿安全开采中，煤矿井下突水事件发生概率大，地下水害已成为威胁煤矿安全生产的主要因素[1]。井下流量监测大量使用到流量计作为煤矿的常规任务为地下水害预警分析提供了重要的基础资料和历史参考依据[2]。水流量标准装置是计量部门和流量计制造企业进行量值传递、溯源与检定测试工作的标准设备之一[3]。对于流量计制造企业，有大量仪表检定工作和新产品研制过程中的实验工作，对每台流量计均需逐台检定以确定流量计的仪表系数、不确定度、重复性和量程范围等技术指标[4]。这些工作都需在流量标准装置上进行，不仅要求流量标准装置具有足够的准确度和可靠性，还希望能有比较高的检定效率[5]。因此，研究设计一套水流量标准装置具有一定的理论和实际意义。

1 水流量标准装置整体设计

水流量标准装置采用静态质量法与标准表法相结合的思路进行设计。采用稳压罐加变频调速的方式进行控制，以保证装置流量测量扩展不确定度。DN15～DN80以下可独立进行检定。检定/校准过程由微机系统控制，检定结果自动生成打印，自动化程度高。可实现对速度式A类流量计（以电磁、涡街、涡轮流量计为主）的检定。水流量标准装置由储水循环稳压系统、流量调节系统、标准流量计和质量标准系统、变频调速系统、计算机控制系统、数据采集、运算及管理系统组成。

1.1 储水循环稳压系统

通过2台泵组合运用，能够覆盖装置的流量范围，并在满足流量调节的前提下充分体现节能与经济性最优的原则。

1.1.1 水泵

水泵采用自动和手动2种控制方式，大小泵可联动使用，同时可根据流量需要对单个水泵进行单独变频控制。水泵选取为立式单级离心泵，选型依据水力计算合理选型，充分考虑了水泵的最佳工作区间。具体配置为2台扬程为32 m，流量分别为100 m3/h和25 m3/h，电机配套功率为15 kW。

1.1.2 储水池

储水池容积约为7.25 m3左右，液面面积约为5.8 m2左右。水泵抽水选用正向吸程，可避免夹带空气及每次启动加引水等问题出现。

1.1.3 稳压罐

稳压罐选用立式稳压罐实现稳压功能。装置稳压罐容积满足最大流量100 m3设计下的稳压要求，同时配备消气过滤装置，稳压罐输出流量的压力波动值可稳定在0.1%以内。

1.1.4 流量调节阀

流量调节阀选用气动V型调节球阀，采用美国进口定位器。此形式调节阀的调节性能为等百分比状态，其线性调节范围能达到10%～90%，精度为1%，调节迅速。

1.2 计量标准系统

水流量标准装置采用静态质量法与标准法相结合的设计思想进行设计。故计量标准分为2部分：一是称重标准器，二是标准表。

1.2.1 称重标准器

依据最大流量和最小流量点的检定时间，同时考虑到在线检定所有标准表的需求，本套装置选择了3台电子称，其量程分别为6 kg、60 kg、300 kg，作为整个装置的最高计量传递标准。完全满足质量法对0.2级以上DN80以下口径的流量计的检定/校准。

1.2.2 标准表

标准表选型为准确度优于0.2级的电磁流量计。标准流量计量程范围（0.5～100）m3/h。具体配置为DN80、DN50、DN15的电磁流量计各1台，通过并联形成标准表组。其组合量程范围完全能够覆盖所有被检测流量计流量点的检定范围。

2 水流量标准装置硬件平台设计

水流量标准装置结合了静态质量法和标准表法两大优点进行设计。水流量标准装置主要由标准表部分、被检表部分和称重部分等组成。使用静态质量法时，水流经标准表、被检表和称重容器，这时标准表只起到显示瞬时流量的作用，并不参与计算；使用标准表法时，水流经标准表、被检表后直接流回水箱，不再经过称重部分。硬件结构图如图1所示。

图1 硬件结构图Fig.1 Hardware structure diagram

水流量标准装置硬件控制系统由上位机、采集卡、控制柜、现场信号源和被控流量计组成。其硬件控制系统如图2所示。

图2 硬件控制系统图Fig.2 Hardware control system diagram

上位机选用研华原装工控机，处理来自串口和采集卡的数字信息。采集卡是计算机硬件系统的扩展和与现场之间的接口，实现现场数据的采集和控制信号的输出。控制柜是信息流的中转站，主要由电源部分、继电器、信号转换模块和控制面板组成，实现现场电源的提供、信号转换和手动控制等功能。

3 水流量标准装置软件系统设计

流量计检定流程在顺序上大致由4大部分构成，即检定初始化、检定过程、实验数据处理和报表打印。流量计检定程序软件流程如图3所示。

图3 软件流程图Fig.3 Flow chart of software

计算机控制系统是流量标准装置可靠运行的保证。从检定过程的角度而言，装置的任何功能都要通过控制系统来实现，如检定流程的控制、流量的自动调节、各种报表的生成及打印等。从功能模块上，软件系统主要是由系统管理、标准表法检定、静态质量法检定和历史数据查询等几部分组成的，功能模块如图4所示。

图4 功能模块Fig.4 Function module

4 水流量标准装置不确定度评定

测量不确定从评定方法上分为A类和B类测量不确定度评定。A类不确定度指的是用对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度。B类不确定度指的是用不同于观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度。水流量标准装置的不确定度评定分为2部分：一是静态质量法的不确定度计算；二是标准表法的不确定度评定，现以静态质量法为例对其不确定度进行评定。

4.1 电子称的不确定度计算

在电子称所使用的量程范围内，设置10个检定点（j=1、2、3、…、10），用标准砝码从 j=1 逐渐加载到j=10，完成第1次检定；再从j=10逐渐卸载到j=l，完成第2次检定。分别记载各点的加载质量、卸载质量以及衡器的读数，重复进行，直到完成第10次检定。那么，电子秤第j点测量的A类相对不确定度为

电子秤第j点测量的B类相对不确定度为

式中：mj为第j点标准砝码的质量；R0为电子秤空载时进行10次测量的示值平均值；Δmji为第j点第i次测量的差值；电子称第j点差值的平均值。

4.2 换向器的不确定度计算

将流量调到换向器所在台位的检定流量，稳定10 min；然后，操作换向器开关，使换向器换向10次，分别将换入时间和换出时间记作t1i和t2i。那么，换向器时间引入的A类不确定度分别为

换向器引入的B类不确定度为

式中：t1i为换入时间；t2i为换出时间；tmin为 30 s。

4.3 计时器的不确定度计算

连接计时器和标准计时器，以装置最短测量时间为时间间隔，启停计时器，读取计时器值和标准计时器值，得到两者差值Δti，完成一次检定，重复10次。计时器引入的A类不确定度分别为

计时器引入的B类不确定度为

综上，静态质量法水流量标准装置（以6 kg电子称为例）的合成标准不确定度为

取K=2，得到静态质量法水流量标准装置的扩展不确定度：

可见，Ur=kUrc＝0.041%＜0.05%， 测量结果符合要求。

5 结语

水流量标准装置为流量计的科研生产和质量检测检验的发展起到了重要作用，同时为流量计的产业规模奠定了雄厚的基础。水流量标准装置投入使用后，对近百台电磁、涡街、涡轮流量计进行了检测，其结果表明：该系统运行稳定、检测检验数据准确可靠、人机界面和谐、抗干扰能力强、使用效果好，为流量计的研制、生产和检验提供了大量科学数据，符合国家和行业标准的要求。

[1]吴耀明，孙泉亮，袁少博.水流量标准装置控制系统的设计[J].工矿自动化，2012，38（1）：93-95.

[2]陈利，刘鹏飞，郑永辉，等.静态质量法水流量标准装置的设计与实现[J].自动化与仪器仪表 2007（3）：62-64.

[3]张莉，蒋旭平.压力可调水流量标准装置的稳定性研究[J].计量与测试技术，2009，36（8）：69-71.

[4]孙青竹.水流量标准装置自动检定系统[J].计量技术，2005（12）：44-46.

[5]李峥.水流量标准装置不确定度和流量稳定性研究[D].天津大学，2009.