標(biāo)準(zhǔn)法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中***重要的儀器就是標(biāo)準(zhǔn)表, 本裝置中選用渦輪流量計做為標(biāo)準(zhǔn)表。自20世紀(jì)50年代末起, 國內(nèi)外學(xué)者對渦輪流量計的性能影響做了大量的實驗, 并先后提出了渦輪流量計的理論模型, 其中以Thompson[3]提出的模型***具代表性。吳國玢等[4]在Thompson模型的基礎(chǔ)上理論預(yù)測了黏度對渦輪流量計性能的影響。國內(nèi)外對于流量儀表檢定裝置開展了深入研究。Roger C.Baker等[5]基于容積法設(shè)計了電子校準(zhǔn)系統(tǒng), 雖然其準(zhǔn)確度能滿足, 但仍屬于傳統(tǒng)的容積校準(zhǔn)法, 并且存在較大的噪聲, 對于大流量的航空煤油校準(zhǔn)裝置并不適用。關(guān)于渦輪流量計的校準(zhǔn)裝置, Grady H.Stevens[6]采用壓差式流量計校準(zhǔn)渦輪流量計, 同時對流體添加正弦擾動, 通過一段直管段運行平穩(wěn)后進(jìn)入差壓式流量計, 進(jìn)而得出不同的流量值進(jìn)行比較。這種校準(zhǔn)方法可以認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)表法的一種, 其重復(fù)性強, 比較實用, 但其準(zhǔn)確度不高, 對于高準(zhǔn)確度要求的航空煤油流量裝置的檢定無法滿足要求。國內(nèi)外關(guān)于校準(zhǔn)裝置的研究主要集中在傳統(tǒng)的質(zhì)量法和體積法[7]。傳統(tǒng)的校驗方法無法滿足對高準(zhǔn)確度儀表的檢定。對此, 有國內(nèi)學(xué)者實現(xiàn)了突破, 采用標(biāo)準(zhǔn)體積管法, 能實現(xiàn)對測量準(zhǔn)確度的要求, 但其測量范圍較小, 并且沒有對標(biāo)準(zhǔn)裝置的動態(tài)性能做出研究。流量計量經(jīng)過長期的發(fā)展, 已經(jīng)應(yīng)用在各個領(lǐng)域。渦輪流量計因具有準(zhǔn)確度高、響應(yīng)快、測量范圍寬等優(yōu)點, 國內(nèi)外學(xué)者對其開展了大量的實驗及仿真研究[8], 深入了解它的特性, 創(chuàng)造更高準(zhǔn)確度的渦輪流量計來作為標(biāo)準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)表來檢定待測流量計。

  由于黏度對渦輪流量計性能的影響較大, 渦輪流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表大多應(yīng)用于氣體流量的計量, 對于低黏度的液體計量, 渦輪流量計同樣有著較高的準(zhǔn)確度。本裝置就是運用渦輪流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表的標(biāo)準(zhǔn)裝置對3#航空煤油進(jìn)行流量計量。

  渦輪流量計是一種速度式流量儀表, 它以動量守恒原理為基礎(chǔ)。流體沖擊葉輪, 使葉輪旋轉(zhuǎn), 葉輪的旋轉(zhuǎn)速度隨流量的變化而變化, 根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)速求出流量值。根據(jù)二元流動模型, 從流體力學(xué)基礎(chǔ)理論出發(fā), 運用二元邊界層理論和葉柵理論提出渦輪流量黏性摩擦阻力矩和驅(qū)動力矩的理論模型:

  式中, 渦輪流量計在理想的工作狀態(tài)下, 渦輪流量計的儀表系數(shù)K是常數(shù), 其物理意義就是單位體積qv的脈沖數(shù)f, 如式 (1) 所示。但實際工作中渦輪流量計的工作狀態(tài)并非理想的工作狀態(tài), 被測流體通過葉輪時會產(chǎn)生以下幾種力矩:進(jìn)入渦輪流量計的流體對渦輪葉片產(chǎn)生的推動力矩Tr, 由于葉輪軸與軸承摩擦而產(chǎn)生的機械阻力矩Trm, 被測流體通過渦輪流量計葉輪時對葉輪產(chǎn)生的流動阻力距Trf, 渦輪流量計中電磁轉(zhuǎn)換器對渦輪流量計葉輪產(chǎn)生的電磁力矩Tre。根據(jù)牛頓運動定律, 可以推算出如式 (2) 的渦輪流量計葉輪的運動方程。根據(jù)渦輪流量計葉輪進(jìn)出口速度三角形分析計算, 可得出如式 (3) 的渦輪流量計的測量模型, 其中Z為葉輪流量計的葉片數(shù), 為渦輪葉片的結(jié)構(gòu)角。以上是渦輪流量計的測量模型, 可以定性地描述渦輪流量計的基本特性。

  根據(jù)加油機的計量檢定規(guī)程, 加油機流量計需要定期去檢定部門檢定儀表的準(zhǔn)確度, 檢定過程中儀表的運輸需要耗費很長的時間、精力以及財力。本裝置設(shè)計的初衷是為計量檢定部門制造出便于攜帶、可移動的標(biāo)準(zhǔn)裝置, 為計量檢定人員對機場加油機流量檢定時節(jié)省一定的時間和精力。標(biāo)準(zhǔn)表裝置的出現(xiàn)可以大大節(jié)約檢定所需要的時間成本。根據(jù)檢定現(xiàn)場的需求, 標(biāo)準(zhǔn)裝置的長度不能大于1.5 m。標(biāo)準(zhǔn)裝置中標(biāo)準(zhǔn)表選用的是高準(zhǔn)確度的渦輪流量計。渦輪流量計計量準(zhǔn)確的前提是在渦輪流量的前后端要保持足夠的直管段, 直管段是被測流體進(jìn)入渦輪流量計之前流動狀態(tài)穩(wěn)定均勻的前置裝置。

  如圖1所示, 標(biāo)準(zhǔn)裝置由過濾器、整流器、壓力變送器、前直管段、渦輪流量計、后直管段、溫度變送器、球閥組成?；诂F(xiàn)場條件對裝置的要求, 標(biāo)準(zhǔn)裝置長度有限, 故需加彎管, 在經(jīng)過過濾器的彎管和直管段之間加有整流器, 其目的是讓流體在有限的直管段中更穩(wěn)定, 從而保證測量準(zhǔn)確度。飛機加油機流量出口接頭為HJS-63A航空壓力加油接頭, 通過加油軟管與標(biāo)準(zhǔn)裝置入口HDF63型航空輸油接頭閥連接。進(jìn)口流體依次通過過濾器、整流器、渦輪流量計、球閥后, 用HJS-63A航空壓力加油接頭與加油機回油管路HDF63型航空輸油接頭閥連接。

  圖2是裝置的電氣連接原理圖, 渦輪流量計的脈沖信號、溫度變送器和壓力變送器的信號連接至流量積算儀, 通過RS485-USB接頭, 各個信號連接至筆記本電腦進(jìn)行采集和計算, 各用電器的電源均由UPS電源提供。

  標(biāo)準(zhǔn)表法流量儀表檢定系統(tǒng)軟件 (圖3) 可以根據(jù)被測流體以及儀表的物性條件進(jìn)行設(shè)置, 可以采集脈沖數(shù)、溫度、壓力、時間、瞬時及累積流量等數(shù)據(jù)。標(biāo)定結(jié)束后, 采集的標(biāo)準(zhǔn)表累積流量和輸入被測表的累計流量進(jìn)行比對計算。

  液體流量的計量方法主要可以分為標(biāo)準(zhǔn)容器法和標(biāo)準(zhǔn)表法。標(biāo)準(zhǔn)容器法:標(biāo)準(zhǔn)容器校驗液體流量又可以分為兩種, 即動態(tài)校驗法和靜態(tài)校驗法。動態(tài)校驗法是讓被測流體按照一定的流量流入標(biāo)準(zhǔn)容器, 按照一定的時間讀出標(biāo)準(zhǔn)容器液面的上升量, 或者讀出液面上升一定高度所需要的時間。靜態(tài)校驗法是讓一定量體積的流體進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)容器, 測定從開始到結(jié)束所需要的時間。標(biāo)準(zhǔn)容器法有較高的計量準(zhǔn)確度, 然而在標(biāo)定大流量時, 制造大型精密的標(biāo)準(zhǔn)容器比較困難。另外, 加油機流量比較大, 進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)容器時航空煤油會混入空氣影響計量準(zhǔn)確度。標(biāo)準(zhǔn)表法是用準(zhǔn)確度更高的儀表作為標(biāo)準(zhǔn)儀表對其他流量計進(jìn)行校準(zhǔn), 用作高準(zhǔn)確度流量計有容積式、渦輪式、電磁式和差壓式等形式。標(biāo)準(zhǔn)裝置選用的是高準(zhǔn)確度的渦輪流量計。

  根據(jù)渦輪流量計檢定規(guī)程[10], 裝置的擴展不確定度應(yīng)不大于流量計***大允許誤差的1/3。由于加油機儀表準(zhǔn)確度等級為0.2級, 其***大允許誤差應(yīng)為±0.2%, 作為標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)準(zhǔn)裝置儀表的***大允許誤差應(yīng)為±0.067%。本標(biāo)準(zhǔn)裝置中渦輪流量計的出廠參數(shù)為儀表的***大誤差即0.125%, 儀表的重復(fù)性為0.02%。單從儀表的***大允許誤差方面考慮, 儀表不能滿足作為標(biāo)準(zhǔn)表檢定的準(zhǔn)確度。但對加油機標(biāo)定, 是定點標(biāo)定。根據(jù)定點標(biāo)定的原理, 儀表的重復(fù)性可以作為準(zhǔn)確度等級去校準(zhǔn)加油機的流量計。

  根據(jù)流量檢定裝置的要求, 流量標(biāo)準(zhǔn)裝置及其配套儀表均應(yīng)具有有效的檢定證書。

  渦輪流量計;校準(zhǔn)用流體:RP-3航空煤油校準(zhǔn)用流體溫度24.3℃;流量范圍:71.967~89.849 m3/h。

  由表2渦輪流量計檢定結(jié)果顯示, 儀表系數(shù)的不確定度為0.06%, 而加油機儀表準(zhǔn)確度等級為0.2級, 根據(jù)渦輪流量計計量檢定規(guī)程, 裝置的擴展確定度不大于流量計***大允許誤差的1/3。表3、表4顯示溫度變送器和壓力變送器的擴展不確定度滿足相應(yīng)的計量檢定規(guī)程。由此可得出結(jié)論, 本裝置可以作為流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定航空煤油的流量。對于溫度壓力的測量, 根據(jù)要求, 溫度測量不確定度所引起的流量測量不確定度應(yīng)不超過標(biāo)準(zhǔn)裝置擴展不確定度的1/5, 壓力測量不確定度所引起的流量測量不確定度應(yīng)不超過標(biāo)準(zhǔn)裝置擴展不確定度的1/5。

  根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度要求, 對裝置不確定度進(jìn)行分析, 標(biāo)準(zhǔn)裝置合成不確定度測量模型為

  式中:u1——標(biāo)準(zhǔn)流量計定點使用時A類不確定度;

u2——計時器的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

u3——計時器的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

u4——標(biāo)準(zhǔn)流量計不帶配套儀表一起檢定時

引起的流量測量不確定度, 帶配套儀表的標(biāo)準(zhǔn)流量計應(yīng)帶配套儀表一起檢定, 否則應(yīng)考慮配套儀表的不確定度;

u5——標(biāo)準(zhǔn)流量計檢定和使用的流體條件不同引起的流量測量不確定度;

u6——數(shù)據(jù)采集、信號處理、數(shù)據(jù)處理及通信不確定度引起的流量測量不確定度;

u7——檢定標(biāo)準(zhǔn)流量計的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的合成不確定度

  其中, 本裝置中流量積算儀采用XMFL-7標(biāo)準(zhǔn)流量積算儀, 有較高的分辨力。對于瞬時量在流量處于100~1 000 L/min時, 分辨力為百分之一 (即0.01) 個單位, 對脈沖為0.01 Hz。對于累積流量在10~10 000 L時, 分辨力為千分之一 (即0.001) 個單位, 對時間為1 ms。其計時器誤差可以忽略不計, 即u2=u3=0。標(biāo)準(zhǔn)流量計為渦輪流量計, 其傳感器與配套轉(zhuǎn)換器為一體, 檢定時是一起檢定的, 則u4=0。標(biāo)準(zhǔn)流量計檢定和使用的流體都是3#航空煤油, 故u5=0。標(biāo)準(zhǔn)流量計儀表系數(shù)的重復(fù)性為0.02%, 按規(guī)程可忽略不計, 即u6=0。

  對于標(biāo)準(zhǔn)流量計測量A類不確定度u1的計算, 對定點使用的流量計, 使用儀表系數(shù)時, 有

  式中:Si——第i個檢定點A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

  σKi——第i個檢定點儀表系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差, 1/m3;

  Ki——第i個檢定點儀表系數(shù)的平均值, 1/m3本裝置標(biāo)定管線只有一臺標(biāo)準(zhǔn)表, 其標(biāo)準(zhǔn)流量計的A類不確定度u1,

  根據(jù)渦輪流量計的檢定記錄, 各條標(biāo)定管線中標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計有: (S1) max=0.02%, 故取u1=0.02%。

  根據(jù)以上分析, 本裝置不確定度為

  式中:u1=0.002%;

  u7——檢定標(biāo)準(zhǔn)流量計的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的合成不確定度

  重點對裝置直管段的長度進(jìn)行選擇, 確保不同黏度下3#航空煤油在進(jìn)入渦輪流量計之前均有穩(wěn)定的均勻的流動狀態(tài)。對裝置整體的不確定度分配進(jìn)行計算, 確定了標(biāo)準(zhǔn)表、溫度變送器、壓力變送器的選擇方案。本裝置的研制, 大大縮短了機場加油機儀表標(biāo)定的時間。裝置體積小、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。本裝置的研究有利于標(biāo)準(zhǔn)裝置的普及, 對流量計的研發(fā)以及生產(chǎn)具有重要意義。