車(chē)載氣體流量校準(zhǔn)裝置配套方案探討

信彥峰，桑培勇，賈正紅，卜慶娟

(國(guó)防科技工業(yè)4113二級(jí)計(jì)量站，河南新鄉(xiāng)453049)

0 引言

車(chē)載氣體流量現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置是實(shí)現(xiàn)氣體流量現(xiàn)場(chǎng)在線(xiàn)和離線(xiàn)校準(zhǔn)的一種車(chē)載計(jì)量系統(tǒng)。文中對(duì)裝置整體方案和工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單描述，該裝置采用標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置集成被動(dòng)活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)，其測(cè)量原理是基于封閉管路的流體連續(xù)性方程，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)容積、標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間等進(jìn)行測(cè)量，從而得到標(biāo)準(zhǔn)流量。裝置適用于中、小氣體流量的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。本文將結(jié)合具體技術(shù)指標(biāo)，對(duì)裝置的主要子系統(tǒng)配置方案進(jìn)行闡述。

1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)原理圖

流量范圍:0.003～350 m3/h，最大流量設(shè)計(jì)為350 m3/h即可滿(mǎn)足常見(jiàn)同口徑流量最大氣體流量?jī)x表(DN50渦街流量計(jì))的校準(zhǔn)需求。微小流量一般多用于氧氣、二氧化碳、氮?dú)狻錃?、氬氣等?.003 m3/h下限流量基本滿(mǎn)足要求。

不確定度:活塞系統(tǒng)0.25%(k=2)，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)系統(tǒng)0.5%(k=2)即可滿(mǎn)足0.5至1.0級(jí)高精度氣體流量?jī)x表的校準(zhǔn)要求。

2 設(shè)計(jì)方案

裝置主要由被動(dòng)活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)系統(tǒng)、車(chē)載平臺(tái)系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)、流量和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、溫度和壓力測(cè)量系統(tǒng)、管路閥門(mén)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)等組成。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

其中被動(dòng)活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)系統(tǒng)及車(chē)載氣源系統(tǒng)是裝置配置重點(diǎn)，以下逐一闡述。

2.1 被動(dòng)活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)

按照活塞類(lèi)型的不同，被動(dòng)活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可以分為水銀密封式活塞和石墨活塞式。其中水銀密封式活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置由于體積較大且含有水銀成分，多被用作實(shí)驗(yàn)室固定的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。本項(xiàng)目采用性能更穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)更緊湊的石墨活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

被動(dòng)活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)量性能幾乎完全不受介質(zhì)溫度、密度、粘度等變化因素的影響;非常適合現(xiàn)場(chǎng)多種常用特殊氣體體積流量的準(zhǔn)確校準(zhǔn)，通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算還可以的到精確的質(zhì)量流量。影響裝置準(zhǔn)確度的因素少，通過(guò)精密加工和有效溯源即可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)裝置的高準(zhǔn)確度。車(chē)載被動(dòng)活塞式體積管系統(tǒng)工作原理圖如下:

圖2 被動(dòng)活塞式體積管工作原理圖

車(chē)載被動(dòng)活塞式體積管系統(tǒng)主標(biāo)準(zhǔn)器由玻璃缸體、活塞、控制閥門(mén)、光電開(kāi)關(guān)、溫度/壓力變送器等構(gòu)成，系統(tǒng)主要包括基座和流量單元。基座包含支撐底座、時(shí)基和大氣壓力傳感器等;流量單元是執(zhí)行實(shí)際物理量測(cè)量的單元，流量單元由精密加工的石墨合成活塞、硼硅酸鹽玻璃筒及溫度傳感器等組成。石墨合成活塞由氣體推動(dòng)在玻璃缸里通過(guò)一個(gè)已知的距離，通過(guò)計(jì)時(shí)裝置同步測(cè)得行程的精確時(shí)間，利用測(cè)控軟件系統(tǒng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算得到精確的標(biāo)準(zhǔn)流量。系統(tǒng)測(cè)量氣體體積量的精度由玻璃筒和活塞的尺寸特征決定。一套理想狀態(tài)的被動(dòng)活塞式氣體流量校準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括一個(gè)無(wú)質(zhì)量、無(wú)摩擦、無(wú)泄漏、形狀恒定的活塞和一個(gè)具有良好氣密性的汽缸。

活塞通過(guò)一個(gè)已知的距離(即已知的體積)所需時(shí)間為t，根據(jù)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)體積計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)體積流量。

式中:q為活塞系統(tǒng)體積流量，m3/s;V為活塞系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體積，m3;D為玻璃缸內(nèi)徑(玻璃缸內(nèi)徑可由三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量，測(cè)量精度約為0.001mm)，m;h為活塞運(yùn)動(dòng)位移，即光電開(kāi)關(guān)之間距離(可由激光干涉儀測(cè)量，激光干涉儀距離標(biāo)定準(zhǔn)確度約為0.5×10-6)，m;t為活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

裝置活塞系統(tǒng)采用美國(guó)進(jìn)口成品，選型如表1所示。

表1 裝置活塞系統(tǒng)選型表

大小活塞系統(tǒng)流量銜接，可采用C100L型氣體質(zhì)量流量控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微小流量的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，控制精度可以達(dá)到0.7%。活塞系統(tǒng)還需要配套減震底座、過(guò)濾器和減壓閥等。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)要求具備良好的穩(wěn)定性、重復(fù)性、復(fù)現(xiàn)性及線(xiàn)性度。為了滿(mǎn)足不用流量和不同類(lèi)型流量?jī)x表的校準(zhǔn)要求，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)系統(tǒng)一般可采用單獨(dú)使用和并聯(lián)的使用方法，并聯(lián)便于實(shí)現(xiàn)更寬的流量范圍。

常見(jiàn)氣體流量?jī)x表同口徑中流量上限最大的為渦街流量計(jì)，流量下限最小的為腰輪流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)。與渦輪和渦街這類(lèi)速度式流量計(jì)不同，腰輪流量計(jì)屬于容積式流量計(jì)，具有很好的穩(wěn)定性，非常適合于離線(xiàn)及在線(xiàn)體積流量的直接計(jì)量，且其本身沒(méi)有相應(yīng)的直管段要求，現(xiàn)場(chǎng)安裝特別靈活、方便，非常適合現(xiàn)場(chǎng)狹小空間的安裝和使用。質(zhì)量流量計(jì)(科式力式)屬于精密新型流量?jī)x表，具有良好的綜合性能，且受介質(zhì)壓力、溫度、密度、粘度等參數(shù)不敏感，適合對(duì)氣體質(zhì)量流量的直接測(cè)量，尤其適用于高壓狀態(tài)下各種氣體的在線(xiàn)校準(zhǔn)。另外，氣體渦輪流量計(jì)的重復(fù)性和穩(wěn)定性能較突出。因此考慮到標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的流量范圍、工作原理、工作過(guò)程、精度及成本等因素。裝置標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)系統(tǒng)配制如下表所示:

表2 裝置選用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)表

2.3 車(chē)載氣源系統(tǒng)

車(chē)載氣源系統(tǒng)主要包括兩套高壓旋渦風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和一套車(chē)載空壓機(jī)系統(tǒng)等，其中高壓旋渦風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能為現(xiàn)場(chǎng)裝置提供正壓和負(fù)壓氣源，高壓旋渦風(fēng)機(jī)具有壓力穩(wěn)定、超低噪音、振動(dòng)小、無(wú)油無(wú)污染等優(yōu)勢(shì):

經(jīng)過(guò)調(diào)研，裝置擬采用大、小兩套高壓旋渦風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，其中大型高壓旋渦風(fēng)機(jī)主要性能為馬達(dá)相數(shù):三相;設(shè)計(jì)形式:雙段;額定功率:5.5 kW;最大流量:500 m3/h;最大吸力:-240 mBar;最大吹力:260 mBar;噪聲等級(jí):74 Db。小型高壓旋渦風(fēng)機(jī)主要性能為馬達(dá)相數(shù):三相;設(shè)計(jì)形式:雙段;額定功率:1.3kW;最大流量:110m3/h;最大吸力:-260 mBar;最大吹力:310 mBar;噪聲等級(jí):58 Db。

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的大型高壓旋渦風(fēng)機(jī)基本能滿(mǎn)足裝置氣體寬流量(350m3/h)和DN50口徑以下流量?jī)x表的離線(xiàn)校準(zhǔn)。小型高壓旋渦風(fēng)機(jī)最大吹力達(dá)到310mBar，能滿(mǎn)足中高壓損流量?jī)x表的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)要求。

通過(guò)車(chē)載變頻控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)變頻一拖二的運(yùn)行功能。即變頻器既可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)其中一臺(tái)高壓旋渦風(fēng)機(jī)運(yùn)行，又能實(shí)現(xiàn)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)高壓旋渦風(fēng)機(jī)，通過(guò)變頻控制不僅能節(jié)能，還能降低現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)和噪音。

另外，為滿(mǎn)足高壓損流量?jī)x表的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、車(chē)載氣動(dòng)夾表器及氣動(dòng)閥門(mén)等元器件的工作要求。裝置配套車(chē)載小型活塞式空壓機(jī)，空壓機(jī)性能為排氣量:0.036 m3/min;壓力:0.8 MPa;功率:0.55 kW;電壓220 V。車(chē)載氣源系統(tǒng)只需接入試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力電源即可驅(qū)動(dòng)整套裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，使裝置現(xiàn)場(chǎng)使用限制條件少、適用性強(qiáng)。

2.4 車(chē)載管路閥門(mén)系統(tǒng)

主要包括各種口徑及類(lèi)型的在線(xiàn)試驗(yàn)管路、離線(xiàn)試驗(yàn)管路、回路切換閥門(mén)系統(tǒng)、滯止緩沖容器系統(tǒng)等。

車(chē)載主管路采用DN50不銹鋼管道，配套其余常用小口徑試驗(yàn)管路采用內(nèi)插或局部替代方式實(shí)現(xiàn)連接裝夾。被校準(zhǔn)流量計(jì)采用DN50車(chē)載氣動(dòng)夾表器裝夾，驅(qū)動(dòng)氣源來(lái)源于車(chē)載空壓機(jī)系統(tǒng)。

為了減小震動(dòng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被校準(zhǔn)流量計(jì)的影響，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)直管段與主體聯(lián)結(jié)處設(shè)置柔性聯(lián)接;被校準(zhǔn)流量計(jì)裝夾管路與車(chē)載氣源系統(tǒng)及滯止緩沖容器系統(tǒng)間也采用柔性聯(lián)結(jié);試驗(yàn)管路支架與車(chē)載平臺(tái)之間采取加裝減震墊或減震器的減震安裝方式。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合具體設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)一種氣體流量現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置的活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)具體選型、標(biāo)準(zhǔn)流量?jī)x表配置方案、氣源系統(tǒng)設(shè)計(jì)等進(jìn)行了闡述。文中不足之處請(qǐng)多指正。

［1］蘇彥勛，李金海.流量計(jì)量［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1991.

［2］蘇彥勛，梁國(guó)偉，盛健.流量計(jì)量與測(cè)試［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2007.

［3］段慧明.標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2004.