高壓液體流量計標準裝置設計方案

一、引言

一般工程應用中，大多數場合假定液體是不可壓縮的，但在個別特殊場合，如壓力高(30MPa)時，則必須考慮壓縮性。以航空液壓油為例，據估算，工作壓力從0MPa增加至30MPa，其體積變化率約為1.7%，即如果某流量計實際使用壓力為30MPa，而流量計是在常壓下校準的，那么僅由液體體積壓縮引入的校準誤差可能已經達到1.7%，這個數量級的誤差顯然不可忽視。實際工程應用中，很多行業和場合的液壓系統壓力都超過了30MPa，這些系統中的流量計在校準過程中存在流體體積壓縮問題，采取簡單的壓力修正來解決壓力不同引入的誤差通常是十分困難的。因此，要保證高壓液體流量計量的準確，在高壓狀態下進行流量計量是科學且十分必要的。據了解，目前國內建立的高壓液體流量標準裝置還很少，很多技術問題還有待探討。本文介紹一種高壓液體流量標準裝置的設計方案，用于交流探討。
 

二、裝置工作原理

裝置結構原理如圖1所示。
 

<CTSM>圖1裝置結構原理圖</CTSM>
 

該流量標準裝置采用靜態質量法加標準表法的測量原理，其基本測量方法是基于流體連續性方程，對標準容積、標準質量和標準時間進行測量，從而得到標準流量值。如圖1所示，裝置主要包括動力系統、溫控系統、標準流量計系統、流量和壓力調控系統和稱重換向系統等。為便于探討，選擇如下技術參數進行設計，裝置工作壓力:低壓系統上限壓力為2MPa，高壓系統上限壓力為30MPa；裝置流量范圍:高壓系統流量為(0.01～5)m3/h，低壓系統流量為(0.01～50)m3/h；裝置不確定度指標:靜態質量法為0.1%(k=2)，標準表法為0.2%(k=2)；裝置介質工作溫度范圍:室溫～80℃。
 

三、子系統的設計與配置

1.動力系統
 

本裝置動力系統主要包括高壓液壓泵、低壓液壓泵、變頻控制器等，其中高壓液壓泵要求噪音低、壓力高、排量大、壽命長、流量脈動小、自吸性好等。另外，由于本裝置循環系統相對開放，油液少量污染不可避免，因此液壓泵本身不能對油液污染和雜質過于敏感。經比較，雙作用葉片泵因噪音低、壽命長、壓力脈動小、自吸性好而優越于齒輪泵和柱塞泵，進口優質雙作用葉片泵最高工作壓力可以達到32MPa。因此，項目擬設計采用雙作用葉片泵作為高壓動力源。螺桿泵具備大流量、無脈動和對油液污染不敏感的優點，因此擬采用螺桿泵作為低壓系統循環、過濾循環和變溫循環動力。裝置所用的兩種液壓泵均為容積泵，即泵的流量決定于驅動電機的轉速，泵出口處的壓力及流量波動受泵本身性能和電機轉速波動的影響。本裝置所設計選用的泵本身壓力、流量脈動都很小(低于1%)，因此保證系統流量穩定的另外一個關鍵措施就是保證驅動電機的轉速穩定。本項目采取變頻調節技術來實現穩定頻率和調整頻率的功能。另外，為保證動力系統的穩定工作，建議在泵進口設置橡膠彈性補償接頭，進油管道應短而直。泵出口設置一定的高壓軟管，泵裝置底座設置彈性減震墊。
 

2.溫控系統
 

加熱變溫采用電加熱的方式。根據新充總油量和加熱時間基本合理等因素，擬采用電加熱功率為40kW，由于裝置安全隱患主要來源于液壓油加熱產生的油氣，因此要求電加熱管達到DⅡBT4防爆要求。加熱器設計安裝在并聯的旁通管道上，采用循環加熱方式，熱量由電加熱元件產生和傳輸。電加熱器工作時產生巨大熱量，油帶走電加熱元件高溫熱能量，油溫升高。當電加熱器出口得到工藝要求的高溫油，電加熱器內部控制系統依據輸出口的溫度傳感器信號自動調節電加熱器輸出功率，使輸出口的介質溫度均勻。當發熱元件超溫時，發熱元件獨立的過熱保護裝置立即切斷加熱電源，避免導致發熱元件燒壞及液壓油變質碳化。溫度控制基于PID原理自動調節。系統介質溫度誤差控制在±1℃。為了節能和便于系統恒溫，對油箱及管道等做保溫處理。加熱器的靜態表面加熱功率一般不得超過0.7W/cm2。
 

裝置采用獨立循環的動態電加熱系統，這樣的電加熱系統加熱效率高，又能保證油箱內的油充分攪拌均勻，前期加熱過程不必開啟高壓液壓泵，因此既節能又延長了高壓液壓泵的使用壽命。需要進行變溫實驗，變溫回路加熱循環，待溫度接近于需要的實驗溫度后再開啟高壓液壓泵使流體進行實驗循環，溫度到達設定溫度并恒定后即可進行實驗。另外，在裝置進行常溫實驗時，由于本系統為高壓大流量系統，系統的功率損失較大，引起液壓油溫度升高而不能滿足實驗條件。因此，油箱容量的確定主要根據系統功率損失引起的發熱量，油箱的散熱量以及冷卻器的規格，通過液壓系統的熱平衡計算來確定。此外，還在系統中設置有常溫溫控組件，冷卻方式采用熱交換效率高的水冷卻器，采用小型冷卻塔提供循環冷卻水源。水冷卻系統的水流量通過自控水閥自動控制，從而控制油溫。
 

3.標準流量計系統
 

本項目選用的標準流量計具備高精度、高穩定性(重復性好)、耐高壓、耐高溫等特點，其準確度在常壓、高壓及高低溫下均優于0.2%，使標準表法基本滿足校準0.5級流量計的要求。為了提高裝置的可靠性，項目擬采用標準容積式流量計組和標準質量流量計組。這兩種類型的流量計都具備前述要求的特點，但這兩種類型的流量計各有優缺點。容積式流量計在裝置中可以直接得出在線體積流量，因此，有利于提高裝置標準表法的準確度和可靠性。但容積式流量計通常在黏度較高的場合使用(大于20cSt)才能保證準確度，而本裝置具備變溫變黏度功能，因此當裝置流體加熱、黏度變小時容積式流量計將不能滿足使用要求，另外容積式流量計流量上限一般較小。而質量流量計測量不受流體介質性能影響，并且可同時測量質量流量、體積流量、密度和溫度。但質量流量計得到的標準體積流量不是直接量，而且大口徑質量流量計耐壓性不如容積式流量計。
 

由此可見，兩種類型流量計互補性很強，搭配或同時使用非常利于提高裝置標準表法的準確度和可靠性。設計選用容積式流量計型號分別為VS0.4、VS4和VS10的齒輪流量計，最大測量誤差為±0.3%、重復性為0.05%；設計選用質量流量計型號分別為DN8、DN25、DN40的科氏力質量流量計，最大測量誤差為±0.15%、重復性為0.05%。所有的標準流量計在使用時應按照檢定值使用，如果標準流量計在全量程范圍內的線性度均可以滿足本項目要求，便可直接使用標準流量計的線性度進行合成。如果標準流量計在全量程范圍內的線性度不能滿足本項目要求，那么可根據每臺標準流量計的具體情況選擇分段使用或定點使用方式來提高其準確度。另外，給每個標準流量計安裝回路切換閥門，使每個標準流量計既可單獨工作，也可并聯工作。
 

4.流量和壓力調控系統
 

主要包括負載系統、脈沖阻尼器、減壓閥和變頻控制器等。工作介質經過濾器過濾后直接從油箱到高壓液壓泵，根據實驗所需要的流量范圍選擇使用大油泵或小油泵，并利用變頻控制器調節驅動電機的轉速，將液壓油泵出口的流量調節到所需流量。經過高壓液壓泵后介質被加壓，根據液壓泵出口壓力決定于負載大小的原理特性，通過負載系統來調節標準流量計和被檢流量計處的壓力，使壓力達到要求即可進行壓力模擬校準實驗。裝置的調壓性能關鍵取決于比例負載系統的配置，可以根據實際情況選用高壓背壓閥、比例溢流閥或液壓負載等方案進行壓力加載。其中高壓背壓閥原理和操控最為簡單且成本低，但其操控性和動態性能一般；比例溢流閥更便于實現自動控制且動態性能好，但其成本一般；液壓負載是在研制條件具備的情況下，借鑒液壓技術中的功率回收原理進行加載，該方案可在加載的同時將系統剩余能量轉化為電能或機械能進行回收利用，該方案更加節能環保，并且能有效控制油溫升高，但該方案技術復雜、成本高。系統高壓油泵出口附近安裝蓄能器以吸收壓力沖擊和流量脈動，另外在比例負載閥的前部安裝設置脈沖阻尼器，脈沖阻尼器靠氣體的可壓縮性使不可壓縮的流體脈沖得以緩沖。選擇合適的脈沖阻尼器(理論上其容量是取油泵排量的26倍)即可減少系統90%或更多的脈沖，使輸送流體接近穩定流狀態，脈沖阻尼器與比例背壓閥配合使用可使管路的壓力接近恒定，并能進一步減小水錘現象對系統的危害。然后，流體通過一級或多級減壓閥或其他減壓裝置后達到低壓狀態，即可進行靜態質量法實驗或直接返回油箱完成循環。
 

5.稱重換向系統
 

主要包括電子天平、稱重油箱、放油閥門換向器、光電發生器、信號同步控制器、標準計時器及配套的氣動電動元器件等。
 

電子天平是項目的核心標準器，其性能直接關系整個裝置的準確度和其他性能。因此擬采購進口高精度電子天平(或高精度電子秤)，擬采用3臺電子天平。其中小秤量電子天平的最大量程為8.2kg，檢定分度值e為0.1g；中秤量電子天平的最大量程為64kg，檢定分度值e為1g；大秤量電子天平(或高精度電子秤)的最大量程為1000kg，檢定分度值e為100g。為防止電子天平(或高精度電子秤)在做變溫實驗時發生溫漂，對稱重油箱做保溫處理。根據項目需求，擬研制3臺換向時間短、行程時間差短且耐高溫的閉式換向器，由于換向器處的液壓油壓力已經過多重減壓，且換向器出口直接與大氣連通，換向系統處于低壓工作狀態，因此設計壓力等級為2.5MPa即可。
 

四、不確定度合成

該裝置靜態質量法產生標準流量的數學模型和基本方程如下:
 

式中:qv——裝置的標準體積流量；m——體積；ρ——流體密度；ρa——空氣密度；t——測量時間。由裝置的標準體積流量計算公式可以看出，影響流量測量的不確定度的因素有m、ρ、ρa、t。
 

高壓液壓油流量標準裝置靜態質量法的不確定度一覽表如表1所示。
 

<CTSM>表1高壓液壓油流量標準裝置靜態質量法的不確定度一覽表</CTSM>
 

對于標準流量計法，標準流量計的不確定度如下式所示:
 

式中:——檢測標準流量計的標準裝置的不確定度；在此項目中即為靜態質量法標準的不確定度，即urB(qs)=uc=0.042%。urA(qi)max——定點使用時即為標準流量計各流量點不確定度的最大值；本項目中約為0.065%。標準表法合成標準不確定度uc(q)=0.078%；擴展不確定度U=0.156%(k=2)。
 

五、結束語

為保證高壓液體流量計量的準確，在高壓狀態下進行流量計量是科學且十分必要的。設計建造高壓液體流量標準裝置是解決高壓流量計量的一種思路和途徑。高壓液體流量標準裝置相比低壓、常壓液體流量標準裝置有著更高的設計建造要求。文章假定技術參數后對裝置的主要子系統進行了初步模擬設計，并對裝置的不確定度進行了模擬合成。