现场小口径液体流量计检校系统的设计和原理

 利用由标准流量计、流量积算仪和遥控触发开关等组成的小口径液体流量计检定系统对现场小口径流量计进行检校工作，采用创新的量值溯源体系，提高该系统的准确度。
1 设计背景
    随着工业技术的不断发展，国家对节能减排工作要求的不断提高，在现场各种各样测量小口径液体的流量计被广泛应用，由于质量管理的要求或者有结算要求，许多流量计需要定期的进行检定，而工业生产中，生产装置不停，这些流量计便无法拆卸送实验室检定，另外拆卸流量计还要花费较大的人力物力，新疆的地域辽阔，送检流量计更是有一定的困难，从而使用客户便提出了流量计在线检定的要求，为满足客户的需求，更好的为新疆工业生产服务，我们便提出要设计一套准确度较高，稳定性好的现场小口径流量计检定系统。差压变送器
    当前现场小口径液体流量计的使用现状：目前这样的流量计测量口径分布主要为DN（6-50）mm，测量范围为（0.05-40）m3/h，准确度0.2-2.5级不等，有电磁流量计，涡轮流量计，质量流量计等，主要应用于石油石化，医药，食品加工等生产领域，直接的特点就是流量计的测量介质各种各样，有油类、烃类和各种挥发和腐蚀性较强的液体，另外测量的管径小，流速低，现场管路复杂也是此类流量计的使用现状。
    目前常用的小口径液体流量计检定设备、方法以及优缺点：
    1.1 利用二等金属量器进行检定
    二等金属量器准确度较高，可利用被测流量计累计容积值和标准容积比对的方法对现场流量计进行校准，其优点为二等金属量器准确度为±0.025%，可靠性好，可满足所有小口径流量计的检定的准确度要求，金属量器的容积值从1L-2000L不等，基本可涵盖目前所有流量计的累计值使用范围，但是由于金属量器体积较大，长途搬运不方便，另外由于金属量器敞口设计，不适合应用于挥发性和有毒有害液体的测量，现场许多液体带有一定腐蚀性，对金属量器也会造成一定的损伤，所以利用二等金属量器检定还是有一定的局限性。孔板流量计
    1.2 利用现场准确度较高的超声波流量计进行比对
    利用超声波流量计对现场流量计进行校准比对是近年来使用多的一种检定方法，其具有稳定性好、量程范围广、适合各种口径和材质的管道、不用破管、无压力损失等特点，适用于自来水，高温水，原油、各类腐蚀性液体流量计的测量，但是受工作原理的要求，其现场安装有明确要求，例如有足够长的直管段等，在实际应用中，现场条件达不到安装要求的情况很普遍，受现场安装条件所限，直管段不够长，阀门、弯头和泵离流量计太近，流量计口径和管道口径不一致等原因而引起的误差很大，且由于超声波为时差原理测量，
    许多现场流量计的管道内壁均有不同程度的腐蚀结垢情况，测量时声速在T1和T2之间传播势必会受到影响，而管径越小，这种影响对测量准确度的影响将会约大，另外超声波流量计测量管径越大，其准确度和稳定性越好，管径小，则相对差一些。
    1.3 利用现场检校车进行测量
    液体流量计的现场检校车主要是标准表法的和体积管，大部分是针对现场油流量计而设计，同样对于腐蚀性较强，管径较小的流量计来检校同样不太适用，再而现场检校车体积较大，造价较高，使用成本也相对较高。
    综上所述目前现场小口径液体流量计的检定现状，这些现场的条件就对我们提出了设计要求，首先要满足小口径液体流量计的测量准确度的要求，其次流量计不拆卸就能测量，能满足现场管道复杂的要求，能满足各种腐蚀性较强的液体，后就是结构简单，便于带到现场，可靠性较高，便于量值溯源。
    2 现场小口径液体流量计检校系统的设计和原理
    针对以上的现状和要求，我们提出了如下的设计理念，我们利用现场流量计的旁通管线或者检定管线，在流量计的下游加装我们的检定系统，让被测流体同时流过被测流量计和我们的检定系统，通过我们的检定系统对工作流量计进行检校，
    具体的检校系统我们采用标准流量计、流量标定仪、遥控触发器和带太阳能板的便携式现场供电电源几部分组成，
    标准流量计我们采用了带脉冲信号输出的0.2级的电磁流量计或者质量流量计，流量标定仪采用中国计量科学研究院生产的XMFL-6标准流量积算仪，遥控触发器采用杭州正电科技有限公司的12路无线遥控开关，便携式电源采用徐州普天光电科技有限公司的便携式电源。
    2.1 各组件的性能指标：
    （1）标准流量计：对于导电介质我们选用日本横河公司的电磁流量计，非导电介质选用艾默生公司的质量流量计，在本方案中，由于大多数介质为导电类的酸碱液体，故使用以电磁流量计为主。
    性能指标：励磁方式：双频励磁；
    流速范围：（0~10）m/s；
    度：±0.2%；
    重复性：0.05%；
    介质温度：（-10~+180）℃；
    环境温度：（-20~+60）℃；
    电源电压：24VDC；
    流体压力：（-0.1~4）Mpa；输出信号：模拟（4~20）mA、脉冲信号输出；
    通信：BRAIN通信；
    符合防爆等级的要求。
    （2）流量标定仪
    ①8位数字显示，通过按键切换可分别显示累积流量和累积时间，累积时间分辨率为0.0001秒。
    ②6位数字显示，通过键的切换可分别显示瞬时流量和信号频率，分辨率大为0.001个单位（HZ），不受启动、停止控制。
    ③四路流量信号输入，可同时工作。通过前面板上的1路/2路键切换显示。
    ④计时计数的启动、停止共有五种控制方式控制，清零通过前面板清零按键或通过微机控制。
    ⑤前面板控制。通过启动、停止、清零键直接控制。分体式电磁流量计
    ⑥后面板控制。有外控开关触点、外控电压及脉冲数量三种控制方式。
    ⑦微机通过RS232接口（或485接口）由软件启动、停止及清零计时计数。
    ⑧可高电平或低电平双向工作（可通过面板按键控制或通过RS232接口控制）。
    （3）遥控触发器 工作电压：12VDC；
    静态电流：≤7mA；
    触点容量：7A240VAC|10A24VDC；
    工作频率：315MHz，433.92MHz；
    控制方式：自锁型；
    控制路数：12路。
    （4）便携式电源 型号TYN-B4034AD；
    铅酸蓄电池：17AH′2块；
    太阳板：20Wp′2块折叠；
    工作、充电、故障、交流指示灯显示；
    交流插座3只。
    2.2 电气结构：在各部分组件通电正常工作的情况下，将标准流量计的脉冲输出接入到流量积算仪中，让流量积算仪通过开关触发能累计标准流量计发出的脉冲值，将遥控触发器电路模块植入流量积算仪中，用遥控触发的模式来代替流量积算仪面板按键操作，避免受到空间和距离的限制。
    2.3 工作原理：当图3的流量计检校系统安装在图2的工作位置时，当管道中有流量同时流过工作流量计和标准流量计时，工作流量计的显示部分会有瞬时和累计流量显示，标准流量计和流量标定仪相互配合，在遥控触发器的控制下可累计出这一段的累积脉冲数从而换算为标准累积体积数，通过累读工作流量计的累积体积数，可计算当前流速下工作流量计的示值误差。
    2.4 工作过程：首先要对标准流量计进行设定，规定其脉冲输出的脉冲当量值，该系统设置为100个/L即标准流量计每流过1L液体，便给流量积算仪发送100个脉冲。举例在现场有一台管径为DN25mm，当前流速为4.37m3/h，准确度为0.5级的电磁流量计，测量介质为高压盐水。在其管路中安装好本系统运行（5~10）分钟之后，对流量积算仪进行复位，处于等待触发的状态便可开始检定。当工作流量计的累积量在不断累积变化时，在某一瞬间变化的时刻通过按下遥控触发器的开关触发流量积算仪进开始累积计数，同时记录瞬间变化的数值为5.215m3，等待累计时间超过60s以后，在工作流量计变化的瞬间再次按下遥控器的停止计数开关使流量计算仪停止计数，记录瞬间流量值为6.003m3，流量积算仪累计的脉冲个数为7845，此时可计算：    
    工作流量计累计的体积数为：
        （1） 通过脉冲体积公式K=N/V得出标准流量V=K/N则有：7845/100=78.45L   （2）
    由（1）、（2）式所以其示值误差为：
    （ΔV-V）/V=0145%
    反复测量三次可得出该点下的重复性，通过控制图1中的阀门D开度的大小，从而调节工作流量计的流量的大小，在不同流量下对该流量计进行检定。
    3 现场小口径液体流量计检校系统的量值溯源体系
    该套现场小口径液体流量计能测量的准确度范围为0.5级及以下，有人质疑该系统中的标准电磁流量计的准确度为0.2级，还有智能流量积算仪、遥控触发器等相关因素，合成下来该套系统的扩展不确定度约在0.25左右（k=2），对于检校0.5级的工作流量计就达不到要求了，那是因为传统的流量计溯源体系，
    整套0.05级的装置只对标准流量计进行检定，判定其合格与否，流量积算仪和遥控触发部分只能通过时间频率的检定来判定其是否合格，终组合起来的系统扩展不确定度就很大了，但是我们设计的该套系统有个特点，就是和0.05级的装置标准重复，既都有一套流量积算仪和触发电路，我们通过对装置电气部分的改造，使得我们这套检定系统取代了标准装置中的重复部分，
    这样可把这套系统看做一个整体，进行逐点的检定，由于该标准流量计的重复性为0.05%，则对流量计的k系数值进行设定，后可把每个点的误差控制在±0.15%以内，这样就可满足0.5级流量计的检定工作。在实际的使用中，还可对流量计进行更细化的逐点，定流量进行修正，还可达到更高的准确度，这也符合当前流量界普遍采用的测量逐点，定流量误差修正，进行溯源的理念。 
    4 现场小口径液体流量计检校系统的优点
    通过设计能得出该套系统有如下的优点：
    ①创新的应用了新的溯源体系，使整套系统有较高的准确度，开展工作的范围大大加宽；
    ②整个系统功耗较低，搭配有太阳能板的便携式电源能在油田等野外进行工作；
    ③测量时间短，工作效率高；
    ④灵活性强，通过更换标准流量计可对各种腐蚀、挥发类液体流量计进行检校；
    ⑤使用累积量进行检校，改变了以往使用标准表比对瞬时流速误差较大的情况。
    5 小结
    综上所述，该套检定系统能对现场的小口径流量计进行检校，由于我院的工作服务重点是油田，这样的小口径流量计在油田使用很多，设计这样一套系统来开展工作是非常有必要的，每年约能检校流量计约200余台件，创收15万元左右。对该系统不断改进，进一步增加计算机自动控制计算部分，能不断提高计算速度，提高工作效率更好的为油田客户服务，为我院的不断进步发展做出贡献！