可变温液压油流量标准装置研究

王俊涛 崔春桃 桑培勇 蒲莉萍

(1.国防科技工业4113计量站，新乡 453049；2.洛阳市质量技术监督局，洛阳 471003)



可变温液压油流量标准装置研究

王俊涛1崔春桃2桑培勇1蒲莉萍1

(1.国防科技工业4113计量站，新乡 453049；2.洛阳市质量技术监督局，洛阳 471003)

提出建立一套液压油流量标准装置，装置具有可变温的特点，变温范围为：常温～80℃。采用静态质量法原理，完成了总体设计。通过电动阀门结合变频技术实现对装置流量的快速准确调节。采用新型闭式换向器，实现装置变温及高精度要求。采用高精度电子天平组，满足系统流量范围及精度要求。完成了测控系统软硬件的设计。

计量学；流量标准装置;变温；变频技术；闭式换向器

0 引言

目前，国内外对液体流量标准装置的研究日趋成熟，尤其是水流量标准，应用十分普遍。同时，根据不同需要建立了一批以油等其它液体作为介质的流量标准，一定程度上满足了部分流量计特殊状况的检定要求。众所周知，油的物理特性受温度的影响比较大，如黏度、密度等。而流量计在不同黏度的介质中性能表现又有较大差异。所以只有对流量计在工况状态下检定，其结果对工业现场才具有实际意义。但是，对所有流量计进行现场校准或检定又不太容易实现[l-4]。

基于以上原因，本文提出建设一套可变温润滑油流量标准装置，以期满足不同温度或黏度条件下润滑油或状态相近流量计的校准或检定，同时可用于特殊流量计研制过程中的实验测试。

1 总体设计

1.1 设计性能指标

建立可变温润滑油流量标准装置的目标是模拟不同黏度液体流动状态，温度是影响流体黏度的主要参数，通过控制流体温度实现黏度的变化，从而保证介质流动状态满足需要。

本装置主要性能指标如下：

1)变温范围：常温～80℃；

2)温控精度：±1℃；

3)流量范围：0.001～40kg/h；

4)不确定度(k=2)：0.05%。

1.2 装置原理

润滑油在常温状态黏度较低，且本装置具有变温特性，经分析选取静态质量法作为本装置原理。装置基本原理框图如图1所示。装置主要由储油箱、油泵、稳压罐、被检表、换向器、衡器以及阀门管路等其它附件组成[1，2]。

图1 装置原理图

1.3 装置系统设计

1.3.1 装置基本结构

本装置基本结构如图2所示，主要包括：动力系统、过滤系统、变温系统、实验管路系统、换向系统、称重系统、测控系统等组成。增压油泵为装置动力系统，驱动介质按一定流量进行循环。过滤系统包括了泵前后过滤器、流量计前过滤器、回油过滤器以及油箱空气过滤器等，有效地保证介质的纯净。变温系统主要包括电加热器及其控制系统，通过变温系统实现不同温度的计量。实验管路系统设有DN50、DN40、DN32、DN25、DN15、DN10、DN6、DN4等标准口径实验管路，实验管路满足液体流量标准的基本要求，管路上按要求装有温度、压力测量仪器。换向系统是静态质量法液体流量标准的主要部件，此装置换向系统主要由三台液体换向器组成，包括DN50，DN25，DN15三种型号。称重系统也是影响装置精度的核心部件之一，选用三台不同量程的电子天平组成装置称重系统，满足精度要求的前提下，保证工作效率。测控系统主要完成试验数据的自动采集、处理以及装置工作的自动控制等。

1.储油箱；2.泵吸油口过滤器；3、4、5.泵；6.加热器；7.系统过滤器；8.稳压罐；9.压力传感器；10、11.水平被检流量计；12、13.整流器；14、15、16竖直被检流量计；17.大换向称重系统；18.中换向称重系统；19.小换向称重系统；20.气源；21.溢流阀图2 装置结构图

1.3.2 装置工作流程

如图2所示。油液存储于油箱1内；工作时，根据实验方案选取实验管路将被检流量计安装在管路上，保证表后无泄漏；确定是否需要变温，需要变温时将电加热器与总管路接通，常温实验将电加热器隔离；打开实验管路阀门使选择管路畅通；启动测控系统，设置实验参数；根据流量要求选择启动增压泵，调节变频器，使流量达到被检流量计最大流量；接下来可以按不同流量计的检定规程进行检定。

2 主要技术

2.1 流量调节

流量计要在不同的流量工况下试验,且各种流量计的量程不尽相同。这就对试验台的流量调节性能提出了很高的要求。通常可以通过改变节流阀的开度来改变管道内液体流量，也可以通过改变液压泵驱动电机的转速来改变管道内液体流量。要改变电动机转速主要有两种方法：可控硅加直流电机调速和变频器加三相异步电机调速。

此装置选择变频调节和电动阀门调节相结合的流量调节方式。阀门流量调节能够保证调节系统安全和平稳运行，使过程控制中物料能量和流量的变化精确。变频调速具有效率高，平滑性好；低速状态时，相对稳定性好；调速精度高，范围较大；起动电流低，无冲击，有效保护电路系统，且节电效果明显的特点。两种流量调节方式的结合使用，使系统兼具两者优点，同时，电动阀门和变频器易于实现设备自动化控制[5-7]。

2.2 变温系统

变温系统结构如图3所示。系统温度的变化主要靠电加热器和热交换器控制。常温实验时，电加热器通过阀门隔离，热交换器与主管路接通，通过控制热交换介质水的流动，将试验介质循环过程产生的热量带走，来保证常温试验时的温度。高温试验时，通过阀门开关将电加热器接入试验管路系统，试验初期主试验管路隔离，油箱、泵、加热器组成小闭合系统，独立循环加热，保证加热效率，减小能量损失。当介质温度达到试验要求温度时，主试验管路接通，形成大的试验循环，电加热器通过PID智能控制，保证介质温度处于设定范围内，满足试验过程对温度的要求。

图3 变温系统结构图

2.3 换向器

流量标准装置中换向器的作用是使流体介质在称重系统和旁路部分根据需要转换。换向器是影响装置精度的主要部件。本装置需要实现高温变温试验，为防止液体介质飞溅，对系统和工作人员造成危害，装置采用闭式活塞换向器，换向器动力采用气动，其结构如图4所示。此换向器气缸与换向器作为一个整体，避免了使用过程中错位对换向性能的影响。双板式封头结构，减小了由于换向对系统内介质流场的扰动。气缸进气口安装添加流量平衡阀，通过流量平衡阀的调节使换向器换入换出时间更接近，提高装置精度。换向装置配备蓄能器，为换向器提供充足动力，保证换向时间[8]。

图4 换向器结构

本装置根据需要共安装三台换向器，其具体参数如下：

1)口径分别为:50mm，25mm，15mm；

2)工作压力：0.4～0.8MPa。

2.4 称重系统

称重系统是静态质量法液体流量标准装置的核心构件之一，主要由称量器具，称重容器组成。本装置选用电子天平作为称重器具。

电子天平是常用的称重器具，它具有结构简单、安装方便、称量准确可靠、显示快速清晰、自动检测系统、简便的自动校准装置以及超载保护装置等，同时便于实现自动控制。

本装置设计流量范围为0.001～40kg/h。范围比较宽，不管是换向系统，还是称重系统等都有适合的使用范围，所以主系统被分为三个子系统。称重部分包括三台电子天平，三个称重箱，并且三部分可以相互联通、断开，保证对不同流量范围的仪表进行准确计量。装置所选用电子天平如表1所示。

表1 电子天平

2.5 测控系统

测控系统包括硬件系统和和软件系统两部分。

2.5.1 硬件系统

硬件系统采用基于PC-单片机的自动检定系统，其结构如图5所示。能够实现人工手动控制和计算机自动控制两种控制方式，仪器显示和计算机虚拟显示两种监控方式。这样可以在计算机出现故障时，在人工手动下继续工作。系统主要由各类传感器、光电开关、比例放大器、多路固态继电器、流量积算仪、环境参数测量仪、压力温度测量仪、串口扩展卡以及PC机等组成。计算机主要完成信息输入输出、控制指令发送和数据处理；流量积算仪完成时间、频率信号的采集及处理并及时与计算机通讯；多路开关通过接受计算机设置指令，控制不同系统通断；温度压力测量仪完成系统压力及温度的采集处理并传送到计算机；大气参数测量仪完成对大气温度、压力及湿度的测量处理并传送到计算机[9]。

图5 控制及数据采集系统硬件结构

2.5.2 软件系统

装置系统软件的开发采用C#语言，基于Visual Studio 2008平台，在数据存储方面采用了Access微机数据库管理系统[10]。

软件系统要实现的功能为：对各电动阀、换向器、放油阀等控制；与各单片机实时通讯，在线显示各测量信号值；指示装置运行状态；对试验数据进行处理、存储以及证书、记录的打印等。要求界面友好，运行稳定可靠，操作简便。

3 不确定度分析

该装置静态质量法产生标准流量的数学模型和基本方程如下[1]：

装置静态质量法的不确定度一览表如表2所示[11]。

表2 不确定度的因素

装置合成标准不确定度：u=0.024%；扩展不确定度U=0.048%(k=2)

4 结论

本文介绍了可变温液压油流量标准装置的研制，根据装置特性，对其整体方案进行了设计。根据装置特殊要求设计了其流量调节系统、换向器、称重系统及可控系统软硬件。流量调节快速、准确、稳定，装置整体性能良好，为不同黏度状态流量计量的科学研究提供实验条件。

[1] 苏彦勋，梁国伟，盛健.流量计量与测试(第二版).北京：中国计量出版社，2007

[2] 李春辉.水表国际建议和水流量计量技术研讨会.中国计量，2010(9)：51-52

[3] T T Espina, P I Osella.An Intelligent Ultrasonic Flowmeter for Improved Flow Measurement and Flow Calibration Facility.Instrumentation and Measurement Technology Conference，2001(3):1741-1746

[4] F Durst, A Al-Salaymeh, P Bradshaw, et al.The development of a pulsed-wire probe for measuring flow velocity with a wide bandwidth.International Journal of Heat and Fluid Flow，2003 (24): 1-13

[5] 田志刚.输油管道离心泵流量调节方式的选择.石油和化工设备.2010(13)：32-34

[6] 刘淑萍.变频调速技术的发展和应用.煤矿现代化，2010(4)：110-111

[7] 刘玲.交流变频调速技术的优势和应用.电气开关，2010，(1)：61-63

[8] 史振东，李 旭，王东伟.两种换向器在液体流量标准装置中的应用.计量技术，2006(12)

[9] 仝卫国，李国光，苏杰，等.计量测试技术.北京：中国计量出版社，2006：146-168，227-247

[10] 颜金传，黄平山，陈德全.Access2007从入门到精通.电子工业出版社，2007

[11] 顾英姿，陈朝晖，等.液体静力称量法液体密度测量及其不确定度评定.计量技术，2006(6)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.3.07