在分析標(biāo)準(zhǔn)表法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置基本工作原理的基礎(chǔ)上對(duì)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)智能型渦輪流量計(jì)的選型以及前后直管段的長(zhǎng)度確定，不同溫度下3# 航空煤油的黏度對(duì)于直管段要求不同，直管段的合理選擇是智能型渦輪流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確與否的前提。并確定流量計(jì)、溫度變送器、壓力變送器的選型方案，給出了裝置儀表的檢定實(shí)驗(yàn)結(jié)果。并且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證裝置的可行性，為標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的實(shí)施與推廣提供依據(jù)。
引言
標(biāo)準(zhǔn)裝置按計(jì)量器具可分為稱(chēng)重法、容積法和標(biāo)準(zhǔn)表法。其中標(biāo)準(zhǔn)表法是利用流體力學(xué)連續(xù)性原理將標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表串聯(lián)連接，用標(biāo)準(zhǔn)表和相關(guān)的溫度、壓力等儀表給出標(biāo)準(zhǔn)累積流量，然后與被檢表的累積流量比較，確定被檢表的技術(shù)指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置相對(duì)其他標(biāo)準(zhǔn)裝置有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率高、操作簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)，特別是可以給出更寬的流量范圍。
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，本裝置中選用智能型渦輪流量計(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)智能型渦輪流量計(jì)的性能影響做了大量的實(shí)驗(yàn)，并先后提出了智能型渦輪流量計(jì)的理論模型，其中以Thompson[3] 提出的模型*具代表性。吳國(guó)玢等在Thompson 模型的基礎(chǔ)上理論預(yù)了黏度對(duì)智能型渦輪流量計(jì)性能的影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)于流量?jī)x表檢定裝置開(kāi)展了深入研究。Roger C.Baker等基于容積法設(shè)計(jì)了電子校準(zhǔn)系統(tǒng)，雖然其準(zhǔn)確度能滿(mǎn)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)于智能型渦輪流量計(jì)的校準(zhǔn)裝置，Grady H.Stevens采用壓差式流量計(jì)校準(zhǔn)智能型渦輪流量計(jì)，同時(shí)對(duì)流體添加正弦擾動(dòng)，通過(guò)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(wú)法滿(mǎn)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。傳統(tǒng)的校驗(yàn)方法無(wú)法滿(mǎn)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(méi)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(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，已經(jīng)應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。智能型渦輪流量計(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(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)及仿真研究，深入了解它的特性，創(chuàng)造更高準(zhǔn)確度的智能型渦輪流量計(jì)來(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)表來(lái)檢定待測(cè)流量計(jì)。由于黏度對(duì)智能型渦輪流量計(jì)性能的影響較大，智能型渦輪流量計(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，智能型渦輪流量計(jì)同樣有著較高的準(zhǔn)確度。本裝置就是運(yùn)用智能型渦輪流量計(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。
1　智能型渦輪流量計(jì)測(cè)量模型
智能型渦輪流量計(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，智能型渦輪流量計(jì)在理想的工作狀態(tài)下，智能型渦輪流量計(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)際工作中智能型渦輪流量計(jì)的工作狀態(tài)并非理想的工作狀態(tài)，被測(cè)流體通過(guò)葉輪時(shí)會(huì)產(chǎn)生以下幾種力矩：進(jìn)入智能型渦輪流量計(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(guò)智能型渦輪流量計(jì)葉輪時(shí)對(duì)葉輪產(chǎn)生的流動(dòng)阻力距Trf，智能型渦輪流量計(jì)中電磁轉(zhuǎn)換器對(duì)智能型渦輪流量計(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）的智能型渦輪流量計(jì)葉輪的運(yùn)動(dòng)方程。根據(jù)智能型渦輪流量計(jì)葉輪進(jìn)出口速度三角形分析計(jì)算，可得出如式（3）的智能型渦輪流量計(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。以上是智能型渦輪流量計(jì)的測(cè)量模型，可以定性地描述智能型渦輪流量計(jì)的基本特性。
2　裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
2.1　標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(mén)檢定儀表的準(zhǔn)確度，檢定過(guò)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(mén)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)確度的智能型渦輪流量計(jì)。
智能型渦輪流量計(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)入智能型渦輪流量計(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(guò)濾器、整流器、壓力變送器、前直管段、智能型渦輪流量計(jì)、后直管段、溫度變送器、球閥組成。基于現(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(guò)過(guò)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(guò)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(guò)過(guò)濾器、整流器、智能型渦輪流量計(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，智能型渦輪流量計(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(guò)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。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)裝置原理圖
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。

圖3標(biāo)準(zhǔn)表法流量?jī)x表檢定系統(tǒng)軟件界面2.2　標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的可行性分析液體流量的計(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(kāi)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)確度的智能型渦輪流量計(jì)。


根據(jù)智能型渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程，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)裝置中智能型渦輪流量計(jì)的出廠(chǎng)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(mǎn)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**。智能型渦輪流量計(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 智能型渦輪流量計(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)智能型渦輪流量計(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(mǎn)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(guò)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)裝置擴(kuò)展不確定度的1/5。
表2　智能型渦輪流量計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果
3　裝置的不確定度分析
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(lèi)不確定度；
　u2 —— 計(jì)時(shí)器的A 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；
　u3 —— 計(jì)時(shí)器的B 類(lèi)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)為智能型渦輪流量計(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(lèi)不確定度u1 的計(jì)算，

4　結(jié)語(yǔ)
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)入智能型渦輪流量計(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。