高压液体流量计标准装置设计方案

高压液体流量计标准装置设计方案

一、引言

一般工程应用中，大多数场合假定液体是不可压缩的，但在个别特殊场合，如压力高(30MPa)时，则必须考虑压缩性。以航空液压油为例，据估算，工作压力从0MPa增加至30MPa，其体积变化率约为1.7%，即如果某流量计实际使用压力为30MPa，而流量计是在常压下校准的，那么仅由液体体积压缩引入的校准误差可能已经达到1.7%，这个数量级的误差显然不可忽视。实际工程应用中，很多行业和场合的液压系统压力都超过了30MPa，这些系统中的流量计在校准过程中存在流体体积压缩问题，采取简单的压力修正来解决压力不同引入的误差通常是十分困难的。因此，要保证高压液体流量计量的准确，在高压状态下进行流量计量是科学且十分必要的。据了解，目前国内建立的高压液体流量标准装置还很少，很多技术问题还有待探讨。本文介绍一种高压液体流量标准装置的设计方案，用于交流探讨。
 

二、装置工作原理

装置结构原理如图1所示。
 

<CTSM>图1装置结构原理图</CTSM>
 

该流量标准装置采用静态质量法加标准表法的测量原理，其基本测量方法是基于流体连续性方程，对标准容积、标准质量和标准时间进行测量，从而得到标准流量值。如图1所示，装置主要包括动力系统、温控系统、标准流量计系统、流量和压力调控系统和称重换向系统等。为便于探讨，选择如下技术参数进行设计，装置工作压力:低压系统上限压力为2MPa，高压系统上限压力为30MPa；装置流量范围:高压系统流量为(0.01～5)m3/h，低压系统流量为(0.01～50)m3/h；装置不确定度指标:静态质量法为0.1%(k=2)，标准表法为0.2%(k=2)；装置介质工作温度范围:室温～80℃。
 

三、子系统的设计与配置

1.动力系统
 

本装置动力系统主要包括高压液压泵、低压液压泵、变频控制器等，其中高压液压泵要求噪音低、压力高、排量大、寿命长、流量脉动小、自吸性好等。另外，由于本装置循环系统相对开放，油液少量污染不可避免，因此液压泵本身不能对油液污染和杂质过于敏感。经比较，双作用叶片泵因噪音低、寿命长、压力脉动小、自吸性好而优越于齿轮泵和柱塞泵，进口优质双作用叶片泵最高工作压力可以达到32MPa。因此，项目拟设计采用双作用叶片泵作为高压动力源。螺杆泵具备大流量、无脉动和对油液污染不敏感的优点，因此拟采用螺杆泵作为低压系统循环、过滤循环和变温循环动力。装置所用的两种液压泵均为容积泵，即泵的流量决定于驱动电机的转速，泵出口处的压力及流量波动受泵本身性能和电机转速波动的影响。本装置所设计选用的泵本身压力、流量脉动都很小(低于1%)，因此保证系统流量稳定的另外一个关键措施就是保证驱动电机的转速稳定。本项目采取变频调节技术来实现稳定频率和调整频率的功能。另外，为保证动力系统的稳定工作，建议在泵进口设置橡胶弹性补偿接头，进油管道应短而直。泵出口设置一定的高压软管，泵装置底座设置弹性减震垫。
 

2.温控系统
 

加热变温采用电加热的方式。根据新充总油量和加热时间基本合理等因素，拟采用电加热功率为40kW，由于装置安全隐患主要来源于液压油加热产生的油气，因此要求电加热管达到DⅡBT4防爆要求。加热器设计安装在并联的旁通管道上，采用循环加热方式，热量由电加热元件产生和传输。电加热器工作时产生巨大热量，油带走电加热元件高温热能量，油温升高。当电加热器出口得到工艺要求的高温油，电加热器内部控制系统依据输出口的温度传感器信号自动调节电加热器输出功率，使输出口的介质温度均匀。当发热元件超温时，发热元件独立的过热保护装置立即切断加热电源，避免导致发热元件烧坏及液压油变质碳化。温度控制基于PID原理自动调节。系统介质温度误差控制在±1℃。为了节能和便于系统恒温，对油箱及管道等做保温处理。加热器的静态表面加热功率一般不得超过0.7W/cm2。
 

装置采用独立循环的动态电加热系统，这样的电加热系统加热效率高，又能保证油箱内的油充分搅拌均匀，前期加热过程不必开启高压液压泵，因此既节能又延长了高压液压泵的使用寿命。需要进行变温实验，变温回路加热循环，待温度接近于需要的实验温度后再开启高压液压泵使流体进行实验循环，温度到达设定温度并恒定后即可进行实验。另外，在装置进行常温实验时，由于本系统为高压大流量系统，系统的功率损失较大，引起液压油温度升高而不能满足实验条件。因此，油箱容量的确定主要根据系统功率损失引起的发热量，油箱的散热量以及冷却器的规格，通过液压系统的热平衡计算来确定。此外，还在系统中设置有常温温控组件，冷却方式采用热交换效率高的水冷却器，采用小型冷却塔提供循环冷却水源。水冷却系统的水流量通过自控水阀自动控制，从而控制油温。
 

3.标准流量计系统
 

本项目选用的标准流量计具备高精度、高稳定性(重复性好)、耐高压、耐高温等特点，其准确度在常压、高压及高低温下均优于0.2%，使标准表法基本满足校准0.5级流量计的要求。为了提高装置的可靠性，项目拟采用标准容积式流量计组和标准质量流量计组。这两种类型的流量计都具备前述要求的特点，但这两种类型的流量计各有优缺点。容积式流量计在装置中可以直接得出在线体积流量，因此，有利于提高装置标准表法的准确度和可靠性。但容积式流量计通常在黏度较高的场合使用(大于20cSt)才能保证准确度，而本装置具备变温变黏度功能，因此当装置流体加热、黏度变小时容积式流量计将不能满足使用要求，另外容积式流量计流量上限一般较小。而质量流量计测量不受流体介质性能影响，并且可同时测量质量流量、体积流量、密度和温度。但质量流量计得到的标准体积流量不是直接量，而且大口径质量流量计耐压性不如容积式流量计。
 

由此可见，两种类型流量计互补性很强，搭配或同时使用非常利于提高装置标准表法的准确度和可靠性。设计选用容积式流量计型号分别为VS0.4、VS4和VS10的齿轮流量计，最大测量误差为±0.3%、重复性为0.05%；设计选用质量流量计型号分别为DN8、DN25、DN40的科氏力质量流量计，最大测量误差为±0.15%、重复性为0.05%。所有的标准流量计在使用时应按照检定值使用，如果标准流量计在全量程范围内的线性度均可以满足本项目要求，便可直接使用标准流量计的线性度进行合成。如果标准流量计在全量程范围内的线性度不能满足本项目要求，那么可根据每台标准流量计的具体情况选择分段使用或定点使用方式来提高其准确度。另外，给每个标准流量计安装回路切换阀门，使每个标准流量计既可单独工作，也可并联工作。
 

4.流量和压力调控系统
 

主要包括负载系统、脉冲阻尼器、减压阀和变频控制器等。工作介质经过滤器过滤后直接从油箱到高压液压泵，根据实验所需要的流量范围选择使用大油泵或小油泵，并利用变频控制器调节驱动电机的转速，将液压油泵出口的流量调节到所需流量。经过高压液压泵后介质被加压，根据液压泵出口压力决定于负载大小的原理特性，通过负载系统来调节标准流量计和被检流量计处的压力，使压力达到要求即可进行压力模拟校准实验。装置的调压性能关键取决于比例负载系统的配置，可以根据实际情况选用高压背压阀、比例溢流阀或液压负载等方案进行压力加载。其中高压背压阀原理和操控最为简单且成本低，但其操控性和动态性能一般；比例溢流阀更便于实现自动控制且动态性能好，但其成本一般；液压负载是在研制条件具备的情况下，借鉴液压技术中的功率回收原理进行加载，该方案可在加载的同时将系统剩余能量转化为电能或机械能进行回收利用，该方案更加节能环保，并且能有效控制油温升高，但该方案技术复杂、成本高。系统高压油泵出口附近安装蓄能器以吸收压力冲击和流量脉动，另外在比例负载阀的前部安装设置脉冲阻尼器，脉冲阻尼器靠气体的可压缩性使不可压缩的流体脉冲得以缓冲。选择合适的脉冲阻尼器(理论上其容量是取油泵排量的26倍)即可减少系统90%或更多的脉冲，使输送流体接近稳定流状态，脉冲阻尼器与比例背压阀配合使用可使管路的压力接近恒定，并能进一步减小水锤现象对系统的危害。然后，流体通过一级或多级减压阀或其他减压装置后达到低压状态，即可进行静态质量法实验或直接返回油箱完成循环。
 

5.称重换向系统
 

主要包括电子天平、称重油箱、放油阀门换向器、光电发生器、信号同步控制器、标准计时器及配套的气动电动元器件等。
 

电子天平是项目的核心标准器，其性能直接关系整个装置的准确度和其他性能。因此拟采购进口高精度电子天平(或高精度电子秤)，拟采用3台电子天平。其中小秤量电子天平的最大量程为8.2kg，检定分度值e为0.1g；中秤量电子天平的最大量程为64kg，检定分度值e为1g；大秤量电子天平(或高精度电子秤)的最大量程为1000kg，检定分度值e为100g。为防止电子天平(或高精度电子秤)在做变温实验时发生温漂，对称重油箱做保温处理。根据项目需求，拟研制3台换向时间短、行程时间差短且耐高温的闭式换向器，由于换向器处的液压油压力已经过多重减压，且换向器出口直接与大气连通，换向系统处于低压工作状态，因此设计压力等级为2.5MPa即可。
 

四、不确定度合成

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:
 

式中:qv——装置的标准体积流量；m——体积；ρ——流体密度；ρa——空气密度；t——测量时间。由装置的标准体积流量计算公式可以看出，影响流量测量的不确定度的因素有m、ρ、ρa、t。
 

高压液压油流量标准装置静态质量法的不确定度一览表如表1所示。
 

<CTSM>表1高压液压油流量标准装置静态质量法的不确定度一览表</CTSM>
 

对于标准流量计法，标准流量计的不确定度如下式所示:
 

式中:——检测标准流量计的标准装置的不确定度；在此项目中即为静态质量法标准的不确定度，即urB(qs)=uc=0.042%。urA(qi)max——定点使用时即为标准流量计各流量点不确定度的最大值；本项目中约为0.065%。标准表法合成标准不确定度uc(q)=0.078%；扩展不确定度U=0.156%(k=2)。
 

五、结束语

为保证高压液体流量计量的准确，在高压状态下进行流量计量是科学且十分必要的。设计建造高压液体流量标准装置是解决高压流量计量的一种思路和途径。高压液体流量标准装置相比低压、常压液体流量标准装置有着更高的设计建造要求。文章假定技术参数后对装置的主要子系统进行了初步模拟设计，并对装置的不确定度进行了模拟合成。