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(jì)做為標(biāo)準(zhǔn)表。自20世紀(jì)50年代末起, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)渦輪流量計(jì)的性能影響做了大量的實(shí)驗(yàn), 并先后提出了渦輪流量計(jì)的理論模型, 其中以Thompson[3]提出的模型***具代表性。吳國(guó)玢等[4]在Thompson模型的基礎(chǔ)上理論預(yù)測(cè)了黏度對(duì)渦輪流量計(jì)性能的影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)于流量?jī)x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(jì)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(duì)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(jì)的校準(zhǔn)裝置, Grady H.Stevens[6]采用壓差式流量計(jì)校準(zhǔn)渦輪流量計(jì), 同時(shí)對(duì)流體添加正弦擾動(dòng), 通過一段直管段運(yùn)行平穩(wěn)后進(jìn)入差壓式流量計(jì), 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(qiáng), 比較實(shí)用, 但其準(zhǔn)確度不高, 對(duì)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(guó)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(yàn)方法無法滿足對(duì)高準(zhǔn)確度儀表的檢定。對(duì)此, 有國(guó)內(nèi)學(xué)者實(shí)現(xiàn)了突破, 采用標(biāo)準(zhǔn)體積管法, 能實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的要求, 但其測(cè)量范圍較小, 并且沒有對(duì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的動(dòng)態(tài)性能做出研究。流量計(jì)量經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展, 已經(jīng)應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。渦輪流量計(jì)因具有準(zhǔn)確度高、響應(yīng)快、測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn), 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其開展了大量的實(shí)驗(yàn)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(jì)來作為標(biāo)準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)表來檢定待測(cè)流量計(jì)。

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

  渦輪流量計(jì)是一種速度式流量?jī)x表, 它以動(dòng)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(dòng)模型, 從流體力學(xué)基礎(chǔ)理論出發(fā), 運(yùn)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(dòng)力矩的理論模型:

  式中, 渦輪流量計(jì)在理想的工作狀態(tài)下, 渦輪流量計(jì)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(shí)際工作中渦輪流量計(jì)的工作狀態(tài)并非理想的工作狀態(tài), 被測(cè)流體通過葉輪時(shí)會(huì)產(chǎn)生以下幾種力矩:進(jìn)入渦輪流量計(jì)的流體對(duì)渦輪葉片產(chǎn)生的推動(dòng)力矩Tr, 由于葉輪軸與軸承摩擦而產(chǎn)生的機(jī)械阻力矩Trm, 被測(cè)流體通過渦輪流量計(jì)葉輪時(shí)對(duì)葉輪產(chǎn)生的流動(dòng)阻力距Trf, 渦輪流量計(jì)中電磁轉(zhuǎn)換器對(duì)渦輪流量計(jì)葉輪產(chǎn)生的電磁力矩Tre。根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律, 可以推算出如式 (2) 的渦輪流量計(jì)葉輪的運(yùn)動(dòng)方程。根據(jù)渦輪流量計(jì)葉輪進(jìn)出口速度三角形分析計(jì)算, 可得出如式 (3) 的渦輪流量計(jì)的測(cè)量模型, 其中Z為葉輪流量計(jì)的葉片數(shù), 為渦輪葉片的結(jié)構(gòu)角。以上是渦輪流量計(jì)的測(cè)量模型, 可以定性地描述渦輪流量計(jì)的基本特性。

  根據(jù)加油機(jī)的計(jì)量檢定規(guī)程, 加油機(jī)流量計(jì)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(yùn)輸需要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間、精力以及財(cái)力。本裝置設(shè)計(jì)的初衷是為計(jì)量檢定部門制造出便于攜帶、可移動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)裝置, 為計(jì)量檢定人員對(duì)機(jī)場(chǎng)加油機(jī)流量檢定時(shí)節(jié)省一定的時(shí)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(shí)間成本。根據(jù)檢定現(xiàn)場(chǎng)的需求, 標(biāo)準(zhǔn)裝置的長(zhǎng)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(jì)。渦輪流量計(jì)計(jì)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(cè)流體進(jìn)入渦輪流量計(jì)之前流動(dòng)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(jì)、后直管段、溫度變送器、球閥組成?；诂F(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)裝置的要求, 標(biāo)準(zhǔn)裝置長(zhǎng)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(cè)量準(zhǔn)確度。飛機(jī)加油機(jī)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(jì)、球閥后, 用HJS-63A航空壓力加油接頭與加油機(jī)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(jì)的脈沖信號(hào)、溫度變送器和壓力變送器的信號(hào)連接至流量積算儀, 通過RS485-USB接頭, 各個(gè)信號(hào)連接至筆記本電腦進(jìn)行采集和計(jì)算, 各用電器的電源均由UPS電源提供。

  標(biāo)準(zhǔn)表法流量?jī)x表檢定系統(tǒng)軟件 (圖3) 可以根據(jù)被測(cè)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(shí)間、瞬時(shí)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(cè)表的累計(jì)流量進(jìn)行比對(duì)計(jì)算。

  液體流量的計(jì)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(yàn)液體流量又可以分為兩種, 即動(dòng)態(tài)校驗(yàn)法和靜態(tài)校驗(yàn)法。動(dòng)態(tài)校驗(yàn)法是讓被測(cè)流體按照一定的流量流入標(biāo)準(zhǔn)容器, 按照一定的時(shí)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(shí)間。靜態(tài)校驗(yàn)法是讓一定量體積的流體進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)容器, 測(cè)定從開始到結(jié)束所需要的時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)容器法有較高的計(jì)量準(zhǔn)確度, 然而在標(biāo)定大流量時(shí), 制造大型精密的標(biāo)準(zhǔn)容器比較困難。另外, 加油機(jī)流量比較大, 進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)容器時(shí)航空煤油會(huì)混入空氣影響計(jì)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(duì)其他流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn), 用作高準(zhǔn)確度流量計(jì)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(jì)。

  根據(jù)渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程[10], 裝置的擴(kuò)展不確定度應(yīng)不大于流量計(jì)***大允許誤差的1/3。由于加油機(jī)儀表準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí), 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(jì)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(duì)加油機(jī)標(biāo)定, 是定點(diǎn)標(biāo)定。根據(jù)定點(diǎn)標(biāo)定的原理, 儀表的重復(fù)性可以作為準(zhǔn)確度等級(jí)去校準(zhǔn)加油機(jī)的流量計(jì)。

  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(jì);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(jì)檢定結(jié)果顯示, 儀表系數(shù)的不確定度為0.06%, 而加油機(jī)儀表準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí), 根據(jù)渦輪流量計(jì)計(jì)量檢定規(guī)程, 裝置的擴(kuò)展確定度不大于流量計(jì)***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(kuò)展不確定度滿足相應(yīng)的計(jì)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(duì)于溫度壓力的測(cè)量, 根據(jù)要求, 溫度測(cè)量不確定度所引起的流量測(cè)量不確定度應(yīng)不超過標(biāo)準(zhǔn)裝置擴(kuò)展不確定度的1/5, 壓力測(cè)量不確定度所引起的流量測(cè)量不確定度應(yīng)不超過標(biāo)準(zhǔn)裝置擴(kuò)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(duì)裝置不確定度進(jìn)行分析, 標(biāo)準(zhǔn)裝置合成不確定度測(cè)量模型為

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

u2——計(jì)時(shí)器的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

u3——計(jì)時(shí)器的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

u4——標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)不帶配套儀表一起檢定時(shí)

引起的流量測(cè)量不確定度, 帶配套儀表的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)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(jì)檢定和使用的流體條件不同引起的流量測(cè)量不確定度;

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

u7——檢定標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)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(duì)于瞬時(shí)量在流量處于100~1 000 L/min時(shí), 分辨力為百分之一 (即0.01) 個(gè)單位, 對(duì)脈沖為0.01 Hz。對(duì)于累積流量在10~10 000 L時(shí), 分辨力為千分之一 (即0.001) 個(gè)單位, 對(duì)時(shí)間為1 ms。其計(jì)時(shí)器誤差可以忽略不計(jì), 即u2=u3=0。標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)為渦輪流量計(jì), 其傳感器與配套轉(zhuǎn)換器為一體, 檢定時(shí)是一起檢定的, 則u4=0。標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)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(jì)儀表系數(shù)的重復(fù)性為0.02%, 按規(guī)程可忽略不計(jì), 即u6=0。

  對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)測(cè)量A類不確定度u1的計(jì)算, 對(duì)定點(diǎn)使用的流量計(jì), 使用儀表系數(shù)時(shí), 有

  式中:Si——第i個(gè)檢定點(diǎn)A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

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

  Ki——第i個(gè)檢定點(diǎn)儀表系數(shù)的平均值, 1/m3本裝置標(biāo)定管線只有一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表, 其標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的A類不確定度u1,

  根據(jù)渦輪流量計(jì)的檢定記錄, 各條標(biāo)定管線中標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)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(jì)的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的合成不確定度

  重點(diǎn)對(duì)裝置直管段的長(zhǎng)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(jì)之前均有穩(wěn)定的均勻的流動(dòng)狀態(tài)。對(duì)裝置整體的不確定度分配進(jìn)行計(jì)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(jī)場(chǎng)加油機(jī)儀表標(biāo)定的時(shí)間。裝置體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。本裝置的研究有利于標(biāo)準(zhǔn)裝置的普及, 對(duì)流量計(jì)的研發(fā)以及生產(chǎn)具有重要意義。