四阀门活塞式动态流量计量标准装置和计量方法
阅读说明：本技术 四阀门活塞式动态流量计量标准装置和计量方法 (Four-valve piston type dynamic flow metering standard device and metering method ) 是由 方立德 刘宏伟 郭素娜 王帆 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种四阀门活塞式动态流量计量标准装置和计量方法,其装置包括：工控机、电机、丝杠、光栅尺、活塞缸、水箱、第一管道、第二管道和校量管道。工控机与被检流量计、电机、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和光栅尺电连接,用于实时获取光栅尺的位移量和被检流量计的数据,控制电机转动,以及第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门的启闭。本发明通过工控机来控制活塞缸内活塞的产生脉冲位移量,通过活塞缸、水箱、第一管道、第二管道、多个阀门和校量管道的设置,使得被检流量计所在的校量管道内一直存在脉动流,可实时调节脉动流的幅值和频率,检测被检流量计在动态流量信号下的精度,可以实时显示瞬时液体体积流量值。(The invention provides a four-valve piston type dynamic flow metering standard device and a metering method, wherein the device comprises the following components: industrial computer, motor, lead screw, grating chi, piston cylinder, water tank, first pipeline, second pipeline and school volume pipeline. The industrial personal computer is electrically connected with the detected flowmeter, the motor, the first valve, the second valve, the third valve, the fourth valve and the grating ruler and is used for acquiring the displacement of the grating ruler and the data of the detected flowmeter in real time, controlling the motor to rotate and opening and closing the first valve, the second valve, the third valve and the fourth valve. The invention controls the pulse displacement of the piston in the piston cylinder by the industrial personal computer, and the pulsating flow always exists in the metering pipeline where the detected flowmeter is located by the arrangement of the piston cylinder, the water tank, the first pipeline, the second pipeline, the valves and the metering pipeline, so that the amplitude and the frequency of the pulsating flow can be adjusted in real time, the precision of the detected flowmeter under a dynamic flow signal is detected, and the instantaneous liquid volume flow value can be displayed in real time.)
技术领域
本发明涉及机械设计和流量检测技术领域，具体地说是一种四阀门活塞式动态流量计量标准装置和计量方法。
背景技术
现有的活塞式装置多用于静态流量标准装置，一种活塞式水表检定装置(专利号：202021284357.4)该实用新型通过设置的集水槽、筛网、挡水板、水泵和导管，然后通过水泵配合导管对收集的水进行循环利用，极大的节约水资源，通过设置的支撑杆、流量检测仪、滑槽、滑块和气缸，使用时，从而适用不同大小的水表进行检定，较为实用，适合广泛推广与使用；一种活塞式气体流量标准装置的活塞缸有效容积的在线测量方法(专利号：201911195783.2)在活塞式气体流量使用周期内需要定期进行容积标定，利用激光干涉仪测量活塞运动距离，利用光谱共焦测量技术测量与外径测量结合得到活塞缸内径，得到活塞缸的有效容积。从而，可以简化活塞缸容积的定期标定，在不拆卸活塞缸的前提下，完成活塞缸容积的在线测量，具有测量精度高，标定方便的优点。主动柱塞式液体流量标准装置(专利号：202021228373.1)该主动柱塞式液体流量标准装置，设置有固定板、连接槽、连接杆、第一复位弹簧、转动轴和移动板，可以防止复位弹簧被卡住，从而保证了整个装置可以稳定的运行；一种双向主动式活塞液体流量标准装置(专利号201620976475.9)，该实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑、量程范围大，可长时间连续测量的一种双向主动式活塞液体流量标准装置。一种流量标准装置(专利号202021685210.6)所述流量标准装置可以完成现有技术中多条管线所完成的标定功能，流量标准装置只需要占用一个工位，并且使用的连接管道较少。
以上流量标准装置多利用活塞式结构进行设计。原理是利用活塞的运动来测出一定时间内的排水量，同时辅助一些光学测量设备对活塞运动的行程进行测量，重点在于提高对于活塞行程精准度方面的测量。而其他方面的流量计量标准装置，多是对结构上的创新和改进，使结构更加精密，性能更加稳定，测量范围更大。但对于动态流量计量装置的设计却少之又少。
发明内容
本发明的目的之一就是提供一种四阀门活塞式动态流量计量标准装置，以解决现有的标准装置难以对动态流量下的被检流量计进行校准的问题。
本发明的目的之一是这样实现的：一种四阀门活塞式动态流量计量标准装置，包括：
工控机，与被检流量计、电机、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和光栅尺电连接，用于实时获取光栅尺的位移量和被检流量计的数据，控制电机转动，以及第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门的启闭；
电机，由所述工控机控制转动；
丝杠，丝杠轴与所述电机的输出轴相连接；
光栅尺，固定在所述丝杠的丝母上，用于测量活塞杆的位移量；
活塞缸，活塞杆固定在所述丝杆的丝母上，在所述活塞缸的一侧设置有通气孔，在活塞缸的另一端设置有活塞口A和活塞口B；
水箱，设置有第一水箱口和第二水箱口；
第一管道，连接在所述活塞口A和第一水箱口之间，在所述第一管道上设置有第一阀门和第二阀门，在所述第一阀门和第二阀门之间设置有节点X；
第二管道，连接在所述活塞口B和第二水箱口之间，在所述第二管道上设置有第三阀门和第四阀门，在所述第三阀门和第四阀门之间设置有节点Y；以及
校量管道，设置有被检流量计，一端连接在所述节点X上，另一端连接在所述节点Y上；
进一步地，本发明可以按如下技术方案实现：
所述第一阀门和第二阀门均设置在所述第一管道的所述节点X端。
所述第三阀门和第四阀门均设置在所述第二管道的所述节点Y端。
在所述校量管道上设置有压力传感器和温度传感器。
所述电机为伺服电机，所述工控机通过PLC和伺服驱动器控制伺服电机。
本发明的目的之二就是提供一种四阀门活塞式动态流量计量方法，以解决现有方法难以实时计量动态流量的问题。
本发明的目的之二是这样实现的：一种四阀门活塞式动态流量计量方法，包括如下步骤：
a、置备权利要求1所述的四阀门活塞式动态流量计量标准装置；
b、工控机向电机发送脉冲信号，由电机控制丝杠上的丝母带动活塞杆向右移动，同时工控机实时记录丝母上光栅尺的位移量并控制第一阀门和第四阀门开启，第二阀门和第三阀门关闭，从活塞缸内挤出的水通过活塞口A流经第一管道上的第一阀门后，通过节点X流向校量管道，从校量管道流出通过节点Y流经向第二管道上的第四阀门后，通过第二水箱口流入水箱；
c、工控机向电机发送脉冲信号，由电机控制丝杠上的丝母带动活塞杆向左移动，同时工控机实时记录丝母上光栅尺的位移量并控制第二阀门和第三阀门开启，第一阀门和第四阀门关闭，从水箱内吸出的水通过第二水箱口流经第一管道上的第二阀门后，通过节点X流向校量管道，从校量管道流出通过节点Y流经第二管道上的第三阀门后，通过活塞口B流入活塞缸；
d、重复进行步骤B和步骤C的过程，使得被检流量计所在的校量管道中一直存在水流，得到光栅尺的位移量，工控机通过光栅尺的位移量来计算实际流经活塞缸的液体体积流量，并和被检流量计的所测的流量进行对比。
进一步地，本发明可以按如下技术方案实现：
在所述步骤a中，在所述校量管道上设置有压力传感器和温度传感器，对流过被检流量计的液体温度和压力信息进行实时检测和采集。
本发明通过工控机来控制活塞缸内活塞的产生脉冲位移量，通过活塞缸、水箱、第一管道、第二管道、多个阀门和校量管道的设置，使得被检流量计所在的校量管道内一直存在脉动流，可实时调节脉动流的幅值和频率，检测被检流量计在动态流量信号下的精度，同时可以实时显示瞬时液体体积流量值。本发明使用方便，准确度实时可见，测量结果更加准确、合理有效。为了提高本发明的活塞位移量的测量准确度，采用光栅尺来测量活塞的位移量。
本发明采用加速性能较好的伺服电机，可进行快速启停、改变转速的控制。因此，通过上位机软件编写相应的程序，并发出指令，让伺服电机快速响应动作，就可以实现幅值和频率的实时控制，产生流量稳定、连续可调的水流。其中，通过改变伺服电机的转速来实现幅值的调节，通过改变伺服电机的启停来实现频率的调节。这样，就可以使流量波形呈现正弦波形，以此来检验被检流量计的动态性能。
具体的，当活塞右移时，第一阀门和第四阀门开启，第二阀门和第三阀门关闭，从活塞缸内挤出的水通过第一条线路进入水箱，将第二阀门设置在第一管道的节点X端，将第三阀门设置在第二管道的节点Y端，防止水流经过节点Y流进其他管道。当活塞左移时，第一阀门和第四阀门关闭，第二阀门和第三阀门开启，从水箱吸出的水通过第二条线路进入活塞缸，将第一阀门设置在第一管道的节点X端，将第四阀门设置在第二管道的节点Y端，防止水流经过节点X和节点Y的时候流进其他管道，这样最大程度地提高了本发明的测量精度。同时，通过在校量管道上设置压力传感器和温度传感器，对流过校量管道上的水流的温度和压力进行实时检测和采集，根据需要对其温度和压紧进行修正，以提高测量精度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的控制流程图。
图中：1、第一阀门，2、第二阀门，3、第三阀门，4、第四阀门，5、工控机，6、电机，7、活塞缸，8、水箱，9、校量管道，10、第二管道，11、第一管道，12、丝杠，13、光栅尺，14、丝母，15、活塞杆，16、通气孔，17、PLC，18、伺服驱动器，19、被检流量计，20、夹表器，21、压力传感器，22、温度传感器，23、第一水箱口，24、第二水箱口。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明包括有工控机5、PLC17、伺服驱动器18、伺服电机6、丝杠12、光栅尺13、活塞缸7、水箱8、第一管道11、第二管道10、校量管道9、第一阀门1、第二阀门2、第三阀门3、第四阀门4、压力传感器21和温度传感器22。
其中，工控机5，与被检流量计19、电机6、第一阀门1、第二阀门2、第三阀门3、第四阀门4、压力传感器21、温度传感器22和光栅尺13电连接，用于实时获取光栅尺13的位移量、温度传感器22、压力传感器21和被检流量计19的数据，控制电机6转动，以及第一阀门1、第二阀门2、第三阀门3、第四阀门4的启闭。工控机5具有较强的抗干扰性，可使检定过程更为稳定、可靠。PLC17、电机6等数据采集与过程控制的设备均根据实际控制要求进行选购，输入输出的控制及数据处理软件均按照国家有关检定规程编写。工控机5与被检流量计19进行连接，可以实时采集被检流量计19上的读数，从而与标准装置的流量做对比。
电机6为伺服电机6，由工控机5控制PLC17和伺服驱动器18来进行驱动。伺服电机6的输出轴与丝杠12的丝杠12轴连接，在丝杠12的丝母14上设置有光栅尺13和活塞缸7的活塞杆15，丝杠12将伺服电机6的具有幅值和频率的回转运动转化为具有幅值和频率的直线运动。光栅尺13用于测量活塞杆15即活塞的位移量，光栅尺13上装有读数头，读数头随活塞杆15移动，通并过I/O口把读数头移动的位移量传给工控机5进行数据处理。为了提高测量精度，可在丝杠12上设置两个对称安装的光栅尺13，活塞的位移量是两个光栅尺13在测量时间内测得的位移的平均值。另一方面还可以比对两个光栅尺13测得的结果，以便及时发现光栅尺13是否正确计数。经综合考虑，选用的光栅尺13的有效长度为1.42m，精度为±5um。伺服电机6有起动转矩大、运行范围广、无自转现象、定位精度高等特点，广泛应用于各种自动化控制系统。
活塞缸7的活塞杆15固定在丝杆的丝母14上，在活塞缸7的一侧设置有通气孔16，以便于活塞顺畅地移动，在活塞缸7的另一端设置有活塞口A和活塞口B。
在水箱8上设置有第一水箱口23和第二水箱口24，水箱8和活塞缸7通过第一管道11和第二管道10相连通，其中，第一管道11连接在活塞口A和第一水箱口23之间，在第一管道11上设置有第一阀门1和第二阀门2，在第一阀门1和第二阀门2之间设置有节点X；第一阀门1和第二阀门2均设置在第一管道11的节点X端。
第二管道10连接在活塞口B和第二水箱口24之间，在第二管道10上设置有第三阀门3和第四阀门4，在第三阀门3和第四阀门4之间设置有节点Y。第三阀门3和第四阀门4均设置在第二管道10的节点Y端。
在校量管道9上通过夹表器20设置有被检流量计19、压力传感器21和温度传感器22。校量管道9一端连接在节点X上，另一端连接在节点Y上。温度传感器22和压力传感器21分别用于测量液体的温度和压力，便将信息及时传递给PLC17，并由PLC17传递给工控机5。夹表器20能根据被检流量计19的长度调整间距。试验管道设置应满足被检流量计19的夹装要求，一般规定上游直管段不少于10倍的被检流量计19口径，下游直管段不少于5倍的被检流量计19口径。
工控机5计算实际的液体体积流量q的原理是：流经活塞缸7的液体体积流量q等于活塞缸7截面积A和被测液体的平均流速v的乘积。
可将标准装置的数学模型简化为：
其中，q——液体体积流量；A——活塞缸7截面积；v——瞬时体积流量；l——活塞位移距离；t——时间单位；d——活塞缸7内径。
通过光栅尺13传递的位移量信号可以得到活塞的位移量，通过该活塞的位移量来计算活塞缸7截面积A，因此便可得到该段位移内流经活塞缸7的液体体积流量q。同时利用PLC17自带的时钟功能对该段活塞的位移所用时间进行记录，由此可以得到本发明工控机5计算所得的被测液体的平均流速，即光栅尺13将活塞杆15的位移量实时地反馈给PLC17和工控机5，工控机5经过计算后，得到本发明的实时液体体积流量。工控机5与被检流量计19进行连接，可以实时采集被检流量计19上的读数并显示，从而与本发明的实际液体体积流量值做对比。通过对比数据，来合理进行测量误差及测量不确定度的估计，并设法减小测量误差对测量结果的影响，提高测量的准确度，同时应用误差理论科学、合理地选择和设计动态流量测量器具。
实施例2
一种四阀门活塞式动态流量计量方法，如图1和图2所示，包括如下步骤：
a、置备实施例1中的四阀门活塞式动态流量计量标准装置，在校量管道9上设置有压力传感器21和温度传感器22，对流过被检流量计19的液体温度和压力信息进行实时检测和采集。
b、工控机5向电机6发送脉冲信号，由电机6控制丝杠12上的丝母14带动活塞杆15向右移动，同时工控机5实时记录丝母14上光栅尺13的位移量并控制第一阀门1和第四阀门4开启，第二阀门2和第三阀门3关闭，从活塞缸7内挤出的水通过活塞口A流经第一管道11上的第一阀门1后，通过节点X流向校量管道9，从校量管道9流出通过节点Y流经向第二管道10上的第四阀门4后，通过第二水箱口24流入水箱8。
c、工控机5向电机6发送脉冲信号，由电机6控制丝杠12上的丝母14带动活塞杆15向左移动，同时工控机5实时记录丝母14上光栅尺13的位移量并控制第二阀门2和第三阀门3开启，第一阀门1和第四阀门4关闭，从水箱8内吸出的水通过第二水箱口24流经第一管道11上的第二阀门2后，通过节点X流向校量管道9，从校量管道9流出通过节点Y流经第二管道10上的第三阀门3后，通过活塞口B流入活塞缸7。
d、重复进行步骤B和步骤C的过程，使得被检流量计19所在的校量管道9中一直存在水流，得到光栅尺13的位移量，工控机5通过光栅尺13的位移量来计算实际流经活塞缸7的液体体积流量，并和被检流量计19的所测的流量进行对比。通过对比数据，来合理进行测量误差及测量不确定度的估计，并设法减小测量误差对测量结果的影响，提高测量的准确度，同时应用误差理论科学、合理地选择和设计动态流量测量器具。