李 寧 向德華 朱 寧 歐陽(yáng)琛

(湖南省計(jì)量檢測(cè)研究院，長(zhǎng)沙 410014)

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一種活塞式液體體積標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制

李 寧 向德華 朱 寧 歐陽(yáng)琛

(湖南省計(jì)量檢測(cè)研究院，長(zhǎng)沙 410014)

設(shè)計(jì)了一種基于PLC自動(dòng)控制和組態(tài)軟件編程的被動(dòng)活塞式液體體積標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量裝置，實(shí)現(xiàn)了5～1000L范圍內(nèi)任意體積測(cè)量，解決了容量比較法水不能自動(dòng)提升的難題。分析了裝置的不確定度來(lái)源，評(píng)定了裝置不確定度(Ur(V))=2.6×10-4,k=2)，用一等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器驗(yàn)證了裝置的準(zhǔn)確度。

容量計(jì)量裝置；活塞法；液體體積；標(biāo)準(zhǔn)裝置

0 引言

容量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具分為四種：玻璃量器標(biāo)準(zhǔn)裝置、衡量法容量標(biāo)準(zhǔn)裝置、金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置和計(jì)量罐容積檢定裝置[1]，前面三種方法都可以用水作介質(zhì)實(shí)現(xiàn)體積值量值傳遞，但是水僅能流向位置低于標(biāo)準(zhǔn)裝置的被檢對(duì)象，且第一種和第三種裝置的測(cè)量值不連續(xù)。體積管是用于檢定累積式流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)裝置[2]，能夠連續(xù)準(zhǔn)確測(cè)量流體體積，田冠亞等人[3]研制的一種主動(dòng)式活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置能夠測(cè)量10～150mL水的體積，準(zhǔn)確度0.124%，重復(fù)性0.032%；尹建等人[4]研制的一種新的活塞位移型流量標(biāo)準(zhǔn)裝置能夠檢測(cè)累積式流量計(jì)，準(zhǔn)確度0.1%，穩(wěn)定性0.02%。活塞式液體流量裝置準(zhǔn)確度高，重復(fù)性、穩(wěn)定性好，多數(shù)為主動(dòng)式活塞，通常由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用、維護(hù)都不方便，且單向使用，標(biāo)準(zhǔn)容積較小時(shí)，不能通過(guò)多次往復(fù)使用，測(cè)量比標(biāo)準(zhǔn)容積大的體積。為了解決上述問(wèn)題，本文采用PLC和電控氣動(dòng)電磁閥控制介質(zhì)流向，研制了一套4L被動(dòng)活塞式液體體積標(biāo)準(zhǔn)裝置(下稱活塞式體積裝置)，通過(guò)活塞雙向連續(xù)計(jì)量，實(shí)現(xiàn)5～1000L范圍內(nèi)任意體積任意高度的容量測(cè)量。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

活塞式體積裝置由活塞缸、活塞、高精度光柵尺、三通閥和管路組成，裝置如圖1所示。

圖1 活塞式體積裝置結(jié)構(gòu)示意圖

其工作流程如下：將0.03MPa以上壓力的水管與裝置的入水口相連，出水口與被檢容器相連。通過(guò)裝置的觸摸屏設(shè)定排氣運(yùn)行次數(shù)，排出活塞內(nèi)空氣，活塞到達(dá)初始位置；設(shè)定需要檢測(cè)的體積，活塞開(kāi)始往復(fù)運(yùn)動(dòng)。PLC控制圖1中右側(cè)三通閥連通出水口，左側(cè)三通閥連通進(jìn)水口，活塞桿伸出，同時(shí)測(cè)量出水溫度和光柵位置；活塞到達(dá)最右側(cè)后，PLC切換右側(cè)三通閥連通入水，左側(cè)三通閥連通出水，活塞桿縮進(jìn)，同時(shí)測(cè)量出水溫度和光柵位置。PLC根據(jù)被測(cè)體積，計(jì)算出活塞最后停留位置；活塞排水完成后，測(cè)量被測(cè)容器內(nèi)水的溫度和液位，軟件自動(dòng)計(jì)算出被測(cè)容器液位高度下20℃時(shí)的體積。

2 計(jì)算公式

活塞雙向計(jì)量，最終的體積為每次伸出(正行程)、縮進(jìn)(反行程)測(cè)得的脈沖數(shù)與對(duì)應(yīng)脈沖當(dāng)量之積，分別進(jìn)行溫度修正后再累加得到，該體積值為被檢容器對(duì)應(yīng)液位h時(shí)20℃的體積值，公式如下[5]:

β2(20-t0)+βw(t0-tj)]

式中：V20為被檢金屬量器在標(biāo)尺高度h時(shí)20℃的容積值；Xi為第i次正行程累積脈沖數(shù)；Xj為第j次反行程累積脈沖數(shù)；f1為正行程脈沖當(dāng)量,m3；f2為反行程脈沖當(dāng)量,m3；β1為活塞缸體的體膨脹系數(shù)，℃-1；β2為被檢金屬量器的體膨脹系數(shù)，℃-1；βw為水的體膨脹系數(shù)，℃-1；ti為第i次正行程排水的平均溫度，℃；tj為第j次反行程排水的平均溫度，℃；t0為被檢金屬量器在標(biāo)尺高度h時(shí)的水溫，℃。

3 裝置硬件及軟件控制

系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用組態(tài)軟件編程，實(shí)現(xiàn)檢定校準(zhǔn)全過(guò)程，包括活塞的計(jì)量校準(zhǔn)、排氣準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集與計(jì)算和控制運(yùn)行等功能，其檢定流程如圖2所示。

圖2 上位機(jī)程序流程圖

活塞式體積裝置依靠進(jìn)水的水壓驅(qū)動(dòng)，活塞和光柵尺是計(jì)量核心，PLC和三通閥是實(shí)現(xiàn)裝置功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，硬件控制如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

4 不確定度評(píng)定

4.1 數(shù)學(xué)模型

由于排水側(cè)總與大氣相通，水壓接近大氣壓，因此不考慮缸體材料彈性變形的影響；考慮到雙向與單向測(cè)量不確定度相近，為了簡(jiǎn)化，以正行程排水一次為例進(jìn)行評(píng)定，其計(jì)算公式為：

V1=X1f1[1+β1(t1-20)+β2(20-t0)+

βw(t0-t1)]

式中：V1為一次測(cè)量中從活塞裝置輸入到被檢金屬量器的水在20℃的容積值；X1為一次測(cè)量中正行程累積脈沖數(shù)。

4.2 靈敏系數(shù)

在對(duì)水表檢定裝置的標(biāo)準(zhǔn)金屬量器檢定的一次測(cè)量過(guò)程中，正行程光柵脈沖數(shù)為76985，正行程脈沖當(dāng)量f1=8.035×10-8m3，缸體膨脹系數(shù)β1=71.4×10-6℃-1，標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的體膨脹系數(shù)β2=50×10-6℃-1，水的體膨脹系數(shù)βw=2×10-4℃-1,活塞出口溫度t1為20.4℃，標(biāo)準(zhǔn)金屬量器水位達(dá)到設(shè)定值時(shí)水溫t0為20.6℃，測(cè)量體積V1為6.1868×10-3m3。

c(X1) =f1[1+β1(t1-20)+β2(20-t0)+

βw(t0-t1)]=8.04×10-8m3

c(f1) =X1[1+β1(t1-20)+β2(20-t0)+

βw(t0-t1)]=7.70×104

c(β1)=X1f1(t1-20)=2.47×10-3m3℃

c(t1)=X1f1(β1-βw)=-7.95×10-7m3/℃

c(β2)=X1f1(20-t0)=-3.71×10-3m3℃

c(t0)=X1f1(βw-β2)=9.28×10-7m3/℃

c(βw)=X1f1(t0-t1)=1.24×10-3m3℃

4.3 不確定度分量計(jì)算

4.3.1 測(cè)量過(guò)程累計(jì)脈沖數(shù)引入的不確定度

4.3.2 脈沖當(dāng)量引入的不確定度

根據(jù)本項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告，評(píng)出脈沖當(dāng)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

u(f1)=3.68×10-12m3

4.3.3 活塞缸體的體膨脹系數(shù)引入的不確定度

4.3.4 活塞缸出口水溫引入的不確定度

4.3.5 標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的體膨脹系數(shù)引入的不確定度

4.3.6 標(biāo)準(zhǔn)金屬量器內(nèi)水溫引入的不確定度

4.3.7 水的體膨脹系數(shù)引入的不確定度

4.4 不確定度分量一覽表

不確定度分量如表1。

表1 活塞式體積裝置不確定度分量一覽表

合成不確定度uc(V1)=5.38×10-7m3, 取擴(kuò)展因子k=2，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：

Ur(V1)=kuc(V1)/V1=1.8×10-4

反行程的脈沖當(dāng)量及體積計(jì)算方法與正行程相同，因此其不確定度評(píng)定方法、模型均相同，反行程體積測(cè)量不確定度：

Ur(V2)=Ur(V1)=1.8×10-4

該裝置體積測(cè)量相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本項(xiàng)目活塞式液體體積裝置的準(zhǔn)確度，采用本裝置和我院一等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器進(jìn)行比對(duì)，選取我院5L和1000L二等標(biāo)準(zhǔn)量器分別作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，用本項(xiàng)目活塞裝置和一等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器分別排出5.000L、1000.000L水注入5L和1000L二等標(biāo)準(zhǔn)量器中，通過(guò)二等量器的標(biāo)高、分度值計(jì)算出二等量器的示值，重復(fù)實(shí)驗(yàn)6次，結(jié)果如表2。

表2 活塞式體積裝置與一等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器比對(duì)結(jié)果 單位：L

參與比對(duì)的一等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器不確定度優(yōu)于本項(xiàng)目的活塞式液體體積標(biāo)準(zhǔn)裝置，比對(duì)時(shí)滿足式(1)即可[6]:

(1)

以5L二等量器為傳遞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)時(shí)，y1=5.0006L，y2=5.0005L，U=2.6×10-4×5=0.0013L,式(1)成立。

以1000L二等量器為傳遞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)時(shí)，y1=1000.166L，y2=1000.046L，U=2.6×10-4×1000=0.26L，式(1)成立。因此，本項(xiàng)目活塞式液體體積裝置的準(zhǔn)確度得到驗(yàn)證。

6 結(jié)束語(yǔ)

活塞式液體體積裝置不需要自身動(dòng)力，體積小，重量輕，是一種便攜式裝置；裝置準(zhǔn)確度優(yōu)于0.05%，重復(fù)性好，能夠連續(xù)測(cè)量5～1000L范圍內(nèi)任意體積值，且不受被測(cè)對(duì)象高度位置的限制。

[1] 劉子勇.容量計(jì)量[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2009:18-19

[2] 王池，王自和，張寶珠，等.流量測(cè)量技術(shù)全書(shū)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012:631-638

[3] 田冠亞，程佳，李文軍，等.150mL活塞式液體微小流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(12)：21-24

[4] 尹建，楊愛(ài)敏，劉仙航，等.一種新的活塞位移型液體流量校準(zhǔn)裝置[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2001，22(3)增刊:456-457

[5] JJG 133—2005汽車油罐車容量[S]

[6] 丁躍清，倪育才，鄧媛芳，等.JJF 1033—2008《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》實(shí)施指南[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2008：105-106

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.07.07