可移动浮子流量计检定装置的设计与实现

（天津市计量监督检测科学研究院，天津 300192）

浮子流量计是一种借助浮子在充满流体的垂直锥形管中升降，指示流体体积流量的流量仪表。浮子流量计由于其具有结构简单、制造方便、流量示值直观、使用维护方便、压力损失小等特点[1-2]，被大量地应用于电力、石化、化工、冶金、医药等行业，因此企业对浮子流量计的量值溯源需求迫切。区别于其它类型的流量计，绝大部分浮子流量计只能垂直安装，且介质由下向上通过流量计，而目前国内大部分水流量标准装置只能提供水平方向的流场，这就要求计量技术机构和生产企业引进专用的浮子流量计检定装置[3-4]，这具有以下缺点：①一套完整装置的建设需要大量的资金投入；②专用装置灵活性差，应用面窄；③占地面积大，对实验室空间要求较高。

为完成浮子流量计的检定工作并避免建设专用装置带来的种种缺点，本文设计了一种移动式浮子流量计检定装置。

1 装置的结构设计

目前大部分计量技术机构的液体流量实验室均具备水平流向的水流量试验装置，为了充分利用现有资源，本文拟设计一种可移动浮子流量计检定装置，将其与水流量装置连接后可把水平流场转换为由下至上的垂直流场。

以天津计量院的水流量标准装置为例，装置试验管路前后预留了旁路，通过控制三通阀门可实现水流在试验管路和旁路之间的切换，三通阀的一端分别通过软管与可移动浮子流量计检定装置的入、出口相连，形成浮子流量计检定回路。水流量标准装置与可移动浮子流量计检定装置连接后的试验系统（下文称之为组合装置）如图1所示。

图1 组合装置连接示意Fig.1 Schematic diagram of connection of combined device

可移动浮子流量计检定装置结构设计如图2所示，其主体为一个长方体框架，框架中部为工作台面，台面一侧安装有水平尺，框架底部安装有4个脚轮和4条可伸缩支脚，便于装置的移动和固定。进水管路上依次安装快速接头、开关阀、调节阀、排水阀。装置上端设置气动夹紧器，实现被检流量计的安装与拆卸。

图2 可移动浮子流量计检定装置Fig.2 Design drawing of movable liquid flowrate standard facility

装置设计测量口径范围为DN（15～50），主管路选用DN50口径。为保证装置在宽流量范围内灵活地调节试验流量，在进水管路上并联了DN10和DN25的流量调节支路。在机械设计上，对进、出口管道同轴度和与工作台面的垂直度要求严格，可通过调节工作台面水平保证被检流量计的倾斜度小于2°[5]。

2 装置的水利阻力特性研究

可移动浮子流量计检定装置需借助现有的水流量标准装置提供动力，因此，在装置结构设计完成后，需进一步研究组合装置的水利阻力特性，验证能否达到设计的流量范围。

通过查阅浮子流量计行业标准[6]和产品手册，确定了各口径对应的常见流量范围，如表1所示，并针对此进行装置设计和水利阻力特性的研究。

表1 浮子流量计各口径常见流量范围Tab.1 Usual flow range of different pipe diameter for float meter

为保证组合装置的测量范围能覆盖表1中的常见流量范围，需计算装置的水利阻力并验证水流量标准装置的动力源能否在克服水利阻力的前提下达到常见的最大流量。

水流量标准装置由一台扬程为100 m/22 kW的立式水泵提供动力，主标准器为60 kg和600 kg电子秤，次级标准为4台口径分别为DN50、DN15、DN6、DN2.5的电磁流量计，装置的流通能力计算图如图3所示。根据设计，选通l6号管线时，流量调节范围为（4～50）m3/h，l5号管线对应（0.6～4）m3/h流量，l4号管线对应（0.1～0.6）m3/h 流量，l3号管线对应（0.03～0.1）m3/h 流量，l7号管线对应（0.004～0.03）m3/h流量。

以DN40口径为例计算装置的最大水头损失。根据试验流量不同，需在2种水流路径中选择，当被检浮子流量计的试验流量在（0.16～0.6）m3/h范围内时，将水流切换至l4管段，利用DN6电磁流量计指示瞬时流量，下文简称为路径1；当被检浮子流量计的试验流量在（0.6～4）m3/h范围内时，将水流切换至l5管段，利用DN15电磁流量计指示瞬时流量，下文简称为路径2。由于水头损失与介质流速的平方成正比，因此分别计算这2种水流路径中0.6 m3/h和4 m3/h流量下的水头损失作为各自路径中的最大水头损失。

图3 水流量标准装置流通能力计算图Fig.3 Flow capacity of liquid flowrate standard facility of horizontal flow field

路径2的沿程阻力系数λi和局部阻力系数ξi如表2所示。根据式（1）和表2计算水流量试验装置的水头损失hw水为18.14 m。

可移动浮子流量计检定装置检定DN40口径流量计时的流通能力计算图如图4所示，其沿程阻力系数λi和局部阻力系数ξi如表3所示。根据式（1）和表3计算可移动浮子流量检定装置的水头损失hw浮为0.35 m。装置最大总水头损失 hw可根据式（2）得到，即 18.49 m。

表2 路径2中水流量标准装置的沿程阻力系数和局部阻力系数Tab.2 Frictional resistant coefficient and local resistant coefficient of path 2 for liquid flowrate standard facility of horizontal flow field

图4 可移动浮子流量计装置流通能力计算图Fig.4 Flow capacity of movable liquid flowrate standard facility

用同样的方法计算得到路径1的装置最大总水头损失hw为8.67 m。可知检定DN40口径浮子流量计时，组合装置的最大水头损失为18.49 m。

根据伯努利方程，水泵出口处与换向器出口处单位质量水的总能量相等，如式（3）所示：

式中：p泵和p换分别为泵和换向器出口处的水压；v泵和v换分别为泵和换向器出口处的水流速；ΔH为泵口与换向器出口的垂直高度差。

式（3）可转化为

表3 路径2中可移动浮子流量计检定装置的沿程阻力系数和局部阻力系数Tab.3 Frictional resistant coefficient and local resistant coefficient of path 2 for movable liquid flowrate standard facility

式中，H0为泵的等效扬程。为了保证组合装置能达到设计的最大流量，须满足式（5）：

式中：H0max为泵的最大杨程，即100 m；Hx为装置的作用水头，经计算，装置的最大作用水头为21.59 m，满足条件，装置可达到预设的最大流量值。

同理，检定各口径流量计时，组合装置的最大作用水头如表4所示。经计算，在各试验口径下装置均满足式（5）的关系，证明装置可达到设计的最大流量。

表4 装置各口径的最大作用水头Tab.4 Efficient water head of different pipe diameter for the facility

3 装置的不确定度分析

根据文献[7]提供的装置不确定度评定方法，静态质量法流量标准装置的不确定度分量主要包括计时器、衡器、换向器引入的不确定度，这三部分分量均只与水流量标准装置有关，可移动浮子流量计检定装置未引入额外的不确定度分量，因此，组合装置与水流量标准装置的不确定度相同，根据中国测试技术研究院出具的证书，质量流量扩展不确定度为0.05%（k=2），而体积流量扩展不确定度为 0.2%（k=2）。

根据文献[5]的要求，用于检定浮子流量计的装置的扩展不确定度应优于被检流量计最大允许误差的1/2。由于浮子流量计的最高准确度等级为1.0级，其最大允许误差为1.0%，因此装置的扩展不确定度应至少为0.5%，可见组合装置的不确定度远远优于此项指标。

4 装置的流量稳定性试验

流量稳定性是衡量液体流量标准装置性能的重要技术指标，该指标的优劣直接影响浮子流量计误差试验的结果。本节将针对组合装置进行流量稳定性试验。

根据设计加工完成可移动浮子流量计检定装置，将其与水流量标准装置连接，组成如图5所示的试验系统。

图5 可移动浮子流量计检定装置及试验系统Fig.5 Experimental system of movable liquid flowrate standard facility

根据文献[7]的规定，在装置最大流量和最小流量下进行稳定性试验，并取最大值作为装置的流量稳定性，因此，选择DN50口径下的10 m3/h和DN15口径下的0.006 m3/h作为试验流量点，分别使用600 kg和60 kg电子秤连续测量10次流量qi（i=1，2…，10），求取平均值 q，并根据式（6）计算流量稳定性，得到10 m3/h和0.006 m3/h流量下，装置的流量稳定性分别为0.22%和0.28%，因此，组合装置的流量稳定性为0.28%，说明装置具有良好的流量稳定性。

5 结语

本文设计了一种可移动浮子流量计检定装置，该装置可与水流量装置连接，把水平流场转换为由下至上的垂直流场，并用于浮子流量计的检定。新装置具有较强的灵活性，节省了引进专用浮子流量计检定装置所需的高额费用。本文针对新装置进行了水利阻力特性研究，验证了设计方案的可行性。之后加工完成了该装置，并对组合装置进行了不确定度分析和稳定性试验，结果表明装置的参数特性符合要求。

[1]孙仁伟.浮子流量计的发展介绍[J].自动化与仪表，2005，20（5）：29-31.

[2]朴立华，张涛，孙立军.浮子流量计压力损失的实验研究[J].化工自动化及仪表，2010，37（1）：56-59.

[3]张东飞，耿存杰.一种水浮子流量计检定装置[J].工业计量，2016，26（1）：24-25.

[4]王金华，陈煜，刘彦军，等.浮子流量计检定装置的研制[J].计测技术，2007，27（4）：58-60.

[5]JJG 257-2007浮子流量计[S].北京：国家质量监督检验检疫局，2007.

[6]JB/T 9255-1999玻璃转子流量计[S].北京：国家机械工业局，1999.

[7]JJG 164-2000液体流量标准装置检定规程[S].北京：国家质量监督检验检疫局，2000.