变水头法标定系统的设计

　　0　引言

　　为使各制造厂家生产的各类仪表量值统一并达到一定的测量精确度,必须对新制造或使用中的流量仪表进行标定。在标定过程中,用来实现对流量仪表标定的设备是各种流量标准装置[1]。目前,国内外用于标定流量仪表的水流量标准装置多数建立在定常流动的基上(恒水头法)。这类装置在标定过程中必须保持流体不断循环,所以存在能耗大、效率低的缺点;其次,由于受工艺、造价等因素的影响,这类装置的口径、流量均受到一定限制,一般来说,基于定常流动原理的水流量标准装置的被校表口径不超过500mm。为解决大口径流量仪表的标定问题,上海华强仪表有限公司自主研发了变水头法标定系统。实践证明,该系统的运行费用远小于恒水头法标准装置,在实际应用中发挥了巨大作用,是大口径流量计标定系统的发展方向。

　　1　变水头法基本原理

　　1. 1　系统组成

　　变水头法标定系统原理框图如图1所示。

　　图1　变水头法标定系统原理框图

　　Fig.1　Principle of the calibrating system of variablewater head

　　图1中:最左侧为650m3水容量标准装置,它设有16个标定点,标准装置底部装有压力变送器、温度变送器、注水泵和试验管路;BST为华强自主研发的电路板,用于实现液位测量和对HQ911做通道转换处理;HQ921为智能测控仪,是整个系统的控制器;HQ911为流量演算仪,用来记录被校表的流量和时间;试验管路上装有被校表和流量调节阀。

　　1. 2　变水头法数学模型

　　在标定过程中,液面造成的流动是一个随时间变化的不定常运动[2]。设选定的两个标定点为A、B,则液面高度方程为:

　　式中:V1为液位下降断面的平均速度;D为水容量标准装置直径;g为当地重力加速度;V2为试验管路横截面断面的平均速度;d为试验管路直径;dv/dt为断平均速度随时间的变化率;Li为试验管路中直管的长度;dl为在流线上沿流动方向取的微元;ξ为试验管路中流体流动的局部阻力系数;λ1为液位下降的沿程阻力系数;λ2为试验管路内流体流动的沿程阻力系数。

　　由式(1)可得:

　　1. 3　变水头法工作原理

　　图2所示为变水头法标定系统动态结构图。

　　图2　变水头法标定系统动态结构图

　　Fig. 2　Dynamic structure of the calibratingsystem of variablewater head

　　这是一个单回路过程控制系统[3]。计算机设定给定流量I*,通过控制器HQ921的输出信号I(4~20mA)打开阀门并实时调节阀门的开度,以保持流量恒定;时HQ921接收压力变送器的信号,对数据进行处理后得到实际流量,作为给定流量I*的反馈信号If,当I*=If时表明标定条件成熟。此时,HQ911开始记录被校表的流量并对标定过程计时。当液位到达任意一个标定点时,BST对HQ911中4个通道做转换处理,计算机及时保存HQ911先前通道的数据;当液位到达结束标定点时,HQ921关闭阀门,标定过程结束。标定过程中,水容量标准装置的体积固定,因此,将被校表中的积分流量和瞬时流量与水容量标准装置的标准流量进行比较,就能得出被校表的不确定度情况。