摘要:為探索循環(huán)熱水計量表在變粘度工況下的流量計算和校準方法，研究中利用變溫航空潤滑油流量標準裝置對10支循環(huán)熱水計量表在多個(gè)粘度點(diǎn)下進(jìn)行校準試驗，對各粘度下流量計儀表系數進(jìn)行數據分析。以循環(huán)熱水計量表理論模型為基礎，提出以雙指數衰減函數對儀表系數進(jìn)行擬合計算的方法，各流量計擬合曲線(xiàn)的r2值都優(yōu)于0.99，且各粘度點(diǎn)流量測量結果誤差都小于1%。研究中進(jìn)一步提出通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)雷諾數確定流量選點(diǎn)的校準方法，關(guān)鍵點(diǎn)擬合結果與全數據擬合結果兩者差別基本都小±0.33%。建議對變粘度工況循環(huán)熱水計量表流量計算和校準方法進(jìn)行深入試驗研究，進(jìn)一步驗證上述方法可行性。
引言
循環(huán)熱水計量表具有重復性好、量程范圍寬、適應性強、精度高、體積小等特點(diǎn)，被廣泛應用于多種領(lǐng)域，包括流量試驗、石油計量和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制。工業(yè)生產(chǎn)中潤滑油、液壓油等介質(zhì)粘度一般隨系統溫度變化較大[1-2]，由于循環(huán)熱水計量表其對介質(zhì)粘度較敏感，直接使用實(shí)驗室校準結果無(wú)法滿(mǎn)足變粘度工況流量測量要求。例如在航空發(fā)動(dòng)機研制試驗中，循環(huán)熱水計量表用于航空潤滑油的測量，在20℃~100℃范圍內，航空潤滑油粘度可由幾十厘斯降低至幾厘斯，甚至變化范圍更大。循環(huán)熱水計量表用于航空潤滑油流量測量時(shí)，由于試驗中工作介質(zhì)溫度變化，使用條件偏離實(shí)驗室校準條件較大，校準結果直接應用于發(fā)動(dòng)機滑油流量測量將導致較大誤差[3-8]。
以航空潤滑油流量標準裝置為試驗平臺，對十支循環(huán)熱水計量表在不同粘度點(diǎn)進(jìn)行校準試驗，對儀表系數隨粘度和流量變化關(guān)系進(jìn)行分析。研究發(fā)現通過(guò)雙指數衰減函數對儀表系數（K）和頻率與粘度之商（f/υ）進(jìn)行曲線(xiàn)擬合可有效降低測量誤差，建議通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)雷諾數間接確定校準流量點(diǎn)，在保證擬合曲線(xiàn)有效性的前提下減少校準工作量。
1 試驗設備
1.1 標準裝置
圖1是航空潤滑油流量校準裝置示意圖。裝置采用伺服電機驅動(dòng)標準計量油缸的結構形式，主要由計量油缸、電機及控制器、滾珠絲杠、直線(xiàn)導軌、校準管路、切換閥門(mén)、油箱、控溫機組、溫度壓力傳感器、精密光柵尺、數據采集系統、控制計算機等部件構成。裝置采用伺服電機驅動(dòng)標準計量油缸產(chǎn)生標準流量源，計量油缸同時(shí)作為容積標準，與光柵配合構成流量測量系統。校準裝置通過(guò)調節控制介質(zhì)溫度而改變介質(zhì)粘度。標準裝置技術(shù)指標為：流量范圍：0.5~160L/min；擴展不確定度：0.05%（k=2）；溫度范圍：20~120℃。

1.2 被試流量計
試驗用流量計是循環(huán)熱水計量表，CL-10和CL-15各5支，流量計信息見(jiàn)表1。

2 校準試驗結果
研究利用航空潤滑油流量標準裝置在20，30，40，50，60，80℃對10支循環(huán)熱水計量表進(jìn)行校準試驗。CL-10型流量計校準流量點(diǎn)分別為6，17，28，39，50L/min；CL-15型流量計校準流量點(diǎn)分別為12，24，36，48，60L/min。圖2是1748和1660兩支循環(huán)熱水計量表在各粘度點(diǎn)儀表系數隨流量變化曲線(xiàn)。

由圖2可知，不同粘度點(diǎn)下流量計儀表系數差異很大，圖3是10支流量計各流量點(diǎn)儀表系數誤差曲線(xiàn)。儀表系數差異通過(guò)式（1）計算。結果顯示，在低流量點(diǎn)儀表系數*大相差18%以上，在高流量點(diǎn)儀表系數*小相差約1%。

式中：Kν?max——某流量點(diǎn)*大粘度下儀表系數，L–1；
Kν?min——某流量點(diǎn)*小粘度下儀表系數，L–1。

3 流量計算和校準方法研究
3.1 循環(huán)熱水計量表數學(xué)模型
3.1.1 層流狀態(tài)
層流狀態(tài)下循環(huán)熱水計量表儀表系數數學(xué)模型[9]為

式中：
Z——渦輪葉片數；
θ——葉片結構角；
r——渦輪葉片平均半徑；
A——流通面積；
ρ——介質(zhì)密度；
qv——體積流量；
η——介質(zhì)動(dòng)力粘度；
C1——層流狀態(tài)下阻力矩常數。
層流狀態(tài)下，循環(huán)熱水計量表儀表系數隨qv/η增大而迅速增大，可見(jiàn)儀表系數對介質(zhì)粘度非常敏感。
3.1.2 紊流狀態(tài)
紊流狀態(tài)下循環(huán)熱水計量表儀表系數數學(xué)模型[9]可通過(guò)式（3）表示。

其中C2為紊流狀態(tài)下阻力矩常數。
紊流狀態(tài)下，儀表系數僅與循環(huán)熱水計量表本身結構參數有關(guān)，而與流量和介質(zhì)粘度等參數無(wú)關(guān)，可近似為一常數。
3.2 儀表系數與雷諾數關(guān)系
循環(huán)熱水計量表不同溫度點(diǎn)儀表系數K差異很大,其主要原因是溫度改變導致航空潤滑油粘度改變。校準結果中儀表系數隨流量變化曲線(xiàn)未體現滑油粘度對循環(huán)熱水計量表的影響，雷諾數Re可通過(guò)式(2)、式(4)計算,可見(jiàn)q,/n基本與Re成正比。

式中：
qv——體積流量；
d——循環(huán)熱水計量表內徑；
ν——滑油運動(dòng)粘度。
同一支循環(huán)熱水計量表在雷諾數相近的情況下，其對應的儀表系數很接近，儀表系數是雷諾數的單值函數。圖4是循環(huán)熱水計量表儀表系數隨雷諾數關(guān)系圖，變化趨勢與雙指數衰減函數一致[10]，雙指數衰減函數可由式（5）表示。

圖5是1744和1655兩支循環(huán)熱水計量表Re與K擬合曲線(xiàn)圖。表2是流量計擬合曲線(xiàn)系數。通過(guò)r2值對擬合度進(jìn)行評估，10支循環(huán)熱水計量表擬合優(yōu)度值處于0.992~0.998之間，擬合結果非常好。


3.3 流量計算方法
儀表系數可用雷諾數的雙指數衰減函數表示，而雷諾數可由平均流速和運動(dòng)粘度計算得到，所以?xún)x表系數（K）是流量計輸出頻率與運動(dòng)粘度之商（f /ν）的函數。研究中采用雙指數衰減函數進(jìn)行擬合，流量可由式（6）和式（7）計算，通過(guò)式（8）對計算誤差進(jìn)行評估。表3是10支循環(huán)熱水計量表流量計算結果。10支流量計擬合計算結果與標準流量*大誤差都小于1%。

式中：
Kfit——擬合儀表系數；
qfit——擬合計算流量；
qs——試驗標準流量。

3.4 校準方法研究
《循環(huán)熱水計量表檢定規程》JJG1037-2008[11]適用于工作中流體介質(zhì)粘度基本穩定的場(chǎng)合，在變粘度工況下，直接參照該規程進(jìn)行流量選點(diǎn)實(shí)用性較差[12]。循環(huán)熱水計量表工作中粘度范圍較寬，對其在全粘度范圍進(jìn)行校準可行性同樣受到限制。變粘度工況下，在滿(mǎn)足循環(huán)熱水計量表測量要求的前提應盡量減少校準點(diǎn)數。
利用雙指數衰減函數對儀表系數與雷諾數關(guān)系進(jìn)行擬合，在層流范圍內（Re<2300），儀表系數隨Re增加迅速增加，尤其是在Re<1000范圍內更加明顯；而在Re>3000紊流范圍內，儀表系數變化平緩，接近常數；在10003000的穩定儀表系數。
初步確定校準流量點(diǎn)對應的雷諾數為Remax、5000、3000、2000、1200、800、500、200和Remin。調整校準介質(zhì)粘度與使用條件盡量接近，其中在Re≥2000范圍，選用低粘度校準介質(zhì)，校準流量通過(guò)式（4）反算得到；同理在Re<2000范圍內，選用高粘度介質(zhì)，校準流量通過(guò)式（4）反算得到。
選取與以上要求的9個(gè)關(guān)鍵雷諾數相近的流量點(diǎn)數據進(jìn)行擬合，并與全數據擬合結果進(jìn)行比較，兩者差別通過(guò)式（9）進(jìn)行評估。圖6是兩種擬合方式差別分布情況。300對數據點(diǎn)中，僅有1點(diǎn)儀表系數差別超過(guò)2%，其他各點(diǎn)差別均小于0.5%，而且99%以上的數據點(diǎn)差別小于±0.33%，86%以上的數據點(diǎn)差別小于±0.20%。

式中：
Kfull——全數據擬合儀表系數；
K9——關(guān)鍵點(diǎn)擬合儀表系數；
E——擬合差別。

4 結束語(yǔ)
利用航空潤滑油流量標準裝置對10支循環(huán)熱水計量表進(jìn)行了多個(gè)粘度點(diǎn)下實(shí)流校準試驗，形成以下結論和建議：
1）循環(huán)熱水計量表儀表系數對流體介質(zhì)粘度較為敏感，各粘度點(diǎn)儀表系數差異很大，直接利用頻率與儀表系數關(guān)系計算流量，將導致校準粘度以外的工況測量誤差較大，在低流量范圍尤其嚴重；
2）循環(huán)熱水計量表儀表系數是雷諾數的單值函數，通過(guò)雙指數衰減函數擬合吻合度非常高，擬合優(yōu)度均在0.99以上；
3）Re與f/v成正比，通過(guò)雙指數衰減函數對K和f/v之間關(guān)系進(jìn)行擬合，進(jìn)而計算流量，該方法流量計算結果與標準流量*大誤差小于±1%；
4）根據雙指數衰減函數擬合關(guān)鍵數據點(diǎn)Re確定校準流量點(diǎn)，通過(guò)評估關(guān)鍵點(diǎn)擬合結果與全數據擬合結果兩者差別，兩者差別基本都小于±0.33%，將關(guān)鍵點(diǎn)設定為校準流量點(diǎn)比較合理；
5）建議對變粘度工況循環(huán)熱水計量表流量計算方法和校準選點(diǎn)方法進(jìn)行進(jìn)一步試驗研究，擴展被試流量計型號和工作介質(zhì)*號，豐富和充實(shí)基礎試驗數據，深入驗證計算方法和校準方法的適用性。