一种活塞式液体体积标准装置的研制

李 宁 向德华 朱 宁 欧阳琛

(湖南省计量检测研究院，长沙 410014)



一种活塞式液体体积标准装置的研制

李 宁 向德华 朱 宁 欧阳琛

(湖南省计量检测研究院，长沙 410014)

设计了一种基于PLC自动控制和组态软件编程的被动活塞式液体体积标准计量装置，实现了5～1000L范围内任意体积测量，解决了容量比较法水不能自动提升的难题。分析了装置的不确定度来源，评定了装置不确定度(Ur(V))=2.6×10-4,k=2)，用一等标准金属量器验证了装置的准确度。

容量计量装置；活塞法；液体体积；标准装置

0 引言

容量计量标准器具分为四种：玻璃量器标准装置、衡量法容量标准装置、金属量器标准装置和计量罐容积检定装置[1]，前面三种方法都可以用水作介质实现体积值量值传递，但是水仅能流向位置低于标准装置的被检对象，且第一种和第三种装置的测量值不连续。体积管是用于检定累积式流量计的标准装置[2]，能够连续准确测量流体体积，田冠亚等人[3]研制的一种主动式活塞标准装置能够测量10～150mL水的体积，准确度0.124%，重复性0.032%；尹建等人[4]研制的一种新的活塞位移型流量标准装置能够检测累积式流量计，准确度0.1%，稳定性0.02%。活塞式液体流量装置准确度高，重复性、稳定性好，多数为主动式活塞，通常由伺服电机驱动，结构复杂，使用、维护都不方便，且单向使用，标准容积较小时，不能通过多次往复使用，测量比标准容积大的体积。为了解决上述问题，本文采用PLC和电控气动电磁阀控制介质流向，研制了一套4L被动活塞式液体体积标准装置(下称活塞式体积装置)，通过活塞双向连续计量，实现5～1000L范围内任意体积任意高度的容量测量。

1 结构和工作原理

活塞式体积装置由活塞缸、活塞、高精度光栅尺、三通阀和管路组成，装置如图1所示。

图1 活塞式体积装置结构示意图

其工作流程如下：将0.03MPa以上压力的水管与装置的入水口相连，出水口与被检容器相连。通过装置的触摸屏设定排气运行次数，排出活塞内空气，活塞到达初始位置；设定需要检测的体积，活塞开始往复运动。PLC控制图1中右侧三通阀连通出水口，左侧三通阀连通进水口，活塞杆伸出，同时测量出水温度和光栅位置；活塞到达最右侧后，PLC切换右侧三通阀连通入水，左侧三通阀连通出水，活塞杆缩进，同时测量出水温度和光栅位置。PLC根据被测体积，计算出活塞最后停留位置；活塞排水完成后，测量被测容器内水的温度和液位，软件自动计算出被测容器液位高度下20℃时的体积。

2 计算公式

活塞双向计量，最终的体积为每次伸出(正行程)、缩进(反行程)测得的脉冲数与对应脉冲当量之积，分别进行温度修正后再累加得到，该体积值为被检容器对应液位h时20℃的体积值，公式如下[5]:

β2(20-t0)+βw(t0-tj)]

式中：V20为被检金属量器在标尺高度h时20℃的容积值；Xi为第i次正行程累积脉冲数；Xj为第j次反行程累积脉冲数；f1为正行程脉冲当量,m3；f2为反行程脉冲当量,m3；β1为活塞缸体的体膨胀系数，℃-1；β2为被检金属量器的体膨胀系数，℃-1；βw为水的体膨胀系数，℃-1；ti为第i次正行程排水的平均温度，℃；tj为第j次反行程排水的平均温度，℃；t0为被检金属量器在标尺高度h时的水温，℃。

3 装置硬件及软件控制

系统上位机软件采用组态软件编程，实现检定校准全过程，包括活塞的计量校准、排气准备、数据采集与计算和控制运行等功能，其检定流程如图2所示。

图2 上位机程序流程图

活塞式体积装置依靠进水的水压驱动，活塞和光栅尺是计量核心，PLC和三通阀是实现装置功能的执行机构，硬件控制如图3所示。

图3 系统硬件设计框图

4 不确定度评定

4.1 数学模型

由于排水侧总与大气相通，水压接近大气压，因此不考虑缸体材料弹性变形的影响；考虑到双向与单向测量不确定度相近，为了简化，以正行程排水一次为例进行评定，其计算公式为：

V1=X1f1[1+β1(t1-20)+β2(20-t0)+

βw(t0-t1)]

式中：V1为一次测量中从活塞装置输入到被检金属量器的水在20℃的容积值；X1为一次测量中正行程累积脉冲数。

4.2 灵敏系数

在对水表检定装置的标准金属量器检定的一次测量过程中，正行程光栅脉冲数为76985，正行程脉冲当量f1=8.035×10-8m3，缸体膨胀系数β1=71.4×10-6℃-1，标准金属量器的体膨胀系数β2=50×10-6℃-1，水的体膨胀系数βw=2×10-4℃-1,活塞出口温度t1为20.4℃，标准金属量器水位达到设定值时水温t0为20.6℃，测量体积V1为6.1868×10-3m3。

c(X1) =f1[1+β1(t1-20)+β2(20-t0)+

βw(t0-t1)]=8.04×10-8m3

c(f1) =X1[1+β1(t1-20)+β2(20-t0)+

βw(t0-t1)]=7.70×104

c(β1)=X1f1(t1-20)=2.47×10-3m3℃

c(t1)=X1f1(β1-βw)=-7.95×10-7m3/℃

c(β2)=X1f1(20-t0)=-3.71×10-3m3℃

c(t0)=X1f1(βw-β2)=9.28×10-7m3/℃

c(βw)=X1f1(t0-t1)=1.24×10-3m3℃

4.3 不确定度分量计算

4.3.1 测量过程累计脉冲数引入的不确定度

4.3.2 脉冲当量引入的不确定度

根据本项目总结报告，评出脉冲当量引入的标准不确定度为：

u(f1)=3.68×10-12m3

4.3.3 活塞缸体的体膨胀系数引入的不确定度

4.3.4 活塞缸出口水温引入的不确定度

4.3.5 标准金属量器的体膨胀系数引入的不确定度

4.3.6 标准金属量器内水温引入的不确定度

4.3.7 水的体膨胀系数引入的不确定度

4.4 不确定度分量一览表

不确定度分量如表1。

表1 活塞式体积装置不确定度分量一览表

合成不确定度uc(V1)=5.38×10-7m3, 取扩展因子k=2，相对扩展不确定度为：

Ur(V1)=kuc(V1)/V1=1.8×10-4

反行程的脉冲当量及体积计算方法与正行程相同，因此其不确定度评定方法、模型均相同，反行程体积测量不确定度：

Ur(V2)=Ur(V1)=1.8×10-4

该装置体积测量相对扩展不确定度为：

5 实验验证

为了验证本项目活塞式液体体积装置的准确度，采用本装置和我院一等标准金属量器进行比对，选取我院5L和1000L二等标准量器分别作为传递标准，用本项目活塞装置和一等标准金属量器分别排出5.000L、1000.000L水注入5L和1000L二等标准量器中，通过二等量器的标高、分度值计算出二等量器的示值，重复实验6次，结果如表2。

表2 活塞式体积装置与一等标准金属量器比对结果 单位：L

参与比对的一等标准金属量器不确定度优于本项目的活塞式液体体积标准装置，比对时满足式(1)即可[6]:

(1)

以5L二等量器为传递标准进行比对时，y1=5.0006L，y2=5.0005L，U=2.6×10-4×5=0.0013L,式(1)成立。

以1000L二等量器为传递标准进行比对时，y1=1000.166L，y2=1000.046L，U=2.6×10-4×1000=0.26L，式(1)成立。因此，本项目活塞式液体体积装置的准确度得到验证。

6 结束语

活塞式液体体积装置不需要自身动力，体积小，重量轻，是一种便携式装置；装置准确度优于0.05%，重复性好，能够连续测量5～1000L范围内任意体积值，且不受被测对象高度位置的限制。

[1] 刘子勇.容量计量[M].北京：中国计量出版社，2009:18-19

[2] 王池，王自和，张宝珠，等.流量测量技术全书[M].北京：化学工业出版社，2012:631-638

[3] 田冠亚，程佳，李文军，等.150mL活塞式液体微小流量计量标准装置的研究[J].传感器与微系统，2011，30(12)：21-24

[4] 尹建，杨爱敏，刘仙航，等.一种新的活塞位移型液体流量校准装置[J].仪器仪表学报，2001，22(3)增刊:456-457

[5] JJG 133—2005汽车油罐车容量[S]

[6] 丁跃清，倪育才，邓媛芳，等.JJF 1033—2008《计量标准考核规范》实施指南[M].北京：中国计量出版社，2008：105-106

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.07.07