低壓容器內含溢流槽的流體標準檢定裝置

張廣忠

(黑龍江省科技信息中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

低壓容器內含溢流槽的流體標準檢定裝置

張廣忠

(黑龍江省科技信息中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

針對水塔法水塔高度受限而容器穩壓法檢定精度不高的問題，設計了一種新型流體標準檢定裝置。該裝置在密閉低壓容器中采用溢流池獲得穩定液位，并在其穩定液面上作用穩定氣壓;使用無需換向器的動態法進行檢定，并采取措施保證檢定精度。該裝置兼有水塔流量穩定性和容器穩壓法高雷諾數的優點，且檢定效率高，造價和占地面積也比水塔法少。樣機試驗數據表明，其檢定精度可達0.1%，符合設計要求。

檢定裝置 溢流池 低壓容器 雷諾數 動態法

0 引言

隨著國民經濟各行業自動化的發展，各種流量表的使用量越來越大［1］。為保證所測數據的準確可靠，這些流量表須定期在標準檢定裝置上進行檢定。由于檢定對流體源的流量穩定性要求很高，目前廣泛使用靜態法檢定裝置［2］。但靜態法有兩方面缺點［3］:在流體源方面，由于水塔的存在，使得建造投資多、占據地面空間大，且對水塔高度有限制;在檢定方法方面，換向器易產生系統誤差，且檢定過程斷續進行，較耗費時間。

為克服上述缺點，本文一方面采用水塔法和容積穩壓法優勢互補的流體源;另一方面采用檢定過程連續進行、易于檢定自動化的動態法。動態法在檢定大流量時，液體動能沖擊力的影響使該方法的檢定精度低于靜態法［4］，但這個影響可用文中介紹的方法基本消除掉。

1 檢定裝置結構組成

本文研制的流體標準檢定裝置的結構組成如圖1所示。

圖1 流體標準檢定裝置結構示意圖Fig.1 Structure of the fluid standard calibration facility

檢定裝置由兩部分組成，一部分是包括上位溢流壓力容器、下位溢流常壓容器、壓力貯液槽、常壓貯液槽、增壓泵、循環泵及相應管道的流體源;另一部分是包括試驗管段、待檢定流量計、調節用流量計、調節閥、標準稱量容器、標準液位計、工作閥、檢定閥的檢定設備。

上位溢流壓力容器是采用溢流結構獲得穩定液位的密閉壓力容器。壓力貯液槽內的液體由循環泵注入上位溢流壓力容器，注入的液體一部分經試驗管段直接流至下位溢流常壓容器，另一部分成為上位溢流壓力容器的溢流經溢流管流回壓力貯液槽。

下位溢流常壓容器也采用溢流結構，但其液面上作用大氣壓力。壓力貯液槽為密閉壓力容器，其液面上與上位溢流壓力容器的液面上均作用同樣大小的氣壓(來自同一壓縮空氣源P0)。來自試驗管段的液體在下位溢流常壓容器內成為溢流。該溢流流進不需換向器的標準稱量容器，流進容器的液體根據檢定閥的啟閉流至常壓貯液槽或在該容器內逐漸累積，常壓貯液槽內的液體由增壓泵經止回閥泵入壓力貯液槽。標準稱量容器配有能夠高精度測量其液體液位的標準壓力表。

2 檢定裝置的流體源

在計時時間內，流量標準檢定裝置的標準稱量容器提供一個精確的液體累積值，并與同一時間內待檢定流量計輸出信號的累積值進行比對，進而得到待檢定流量計的測量誤差。由于流量標準檢定裝置實質上是以平均流量來代替瞬時流量去檢定流量待檢定流量計的，因此在計時時間內，檢定介質的流量應當是穩定的，即流量標準檢定裝置必須有一個壓力穩定的流體源。

考慮到水塔內處于溢流狀態的水池能夠獲得穩定的水位(壓力)，但水塔高度的限制使其難以獲得較高雷諾數的檢定介質;容器穩壓法中壓力容器內的高壓氣體很容易使檢定介質達到很高的雷諾數，但卻難以獲得較高的流量穩定性。因此，研制的流體源采用溢流結構的壓力容器的方案。

要想在壓力容器內實現溢流，則上、下位壓力容器內必須作用相同大小的高壓氣體，才能保證上位壓力容器的溢流順利流入下位壓力容器。為了達到對上位壓力容器內溢流池液位穩定性的嚴格要求，就必須保證足夠長的溢流堰，并將多余的液體通過堰頂流入堰槽，匯集成溢流排走，從而保證溢流池液位波動在設計范圍之內。

為減少溢流池液位波動，還應保證溢流池容積在最大流量時，液體質點能在池內停留足夠長的時間(該停留時間一般取3 min［5］)，以便循環泵從溢流池底部經消能器打入溢流池后，液體中夾帶的氣體有充裕的時間釋放出去。如果時間過短，氣體釋放不徹底，就會被夾帶到試驗管段內，使流量測量的分散性增大，精度亦達不到要求。溢流池的深度要保證通徑最大的、通往試驗管段的出水管在最大流量時不致因抽吸而在液面產生渦流。一般取h/DNmax＞10，如果溢流池最大的出水管管徑DNmax=300 mm，則水箱深度以h＞3 000 mm為宜。

上位溢流壓力容器與壓力貯液槽在檢定過程中的耗氣量很少，因而為其供氣的儲氣罐所配套的空氣壓縮機在檢定過程中可以停機，以保證儲氣罐與兩個壓力容器內氣壓基本達到穩定一致。此時，增壓泵為變頻調速泵，液位控制裝置可根據壓力容器內的氣壓情況(高于或低于設定標準氣壓)，減少或增加增壓泵泵入壓力貯液槽的液體量，以使壓力容器內的氣相空間增大或縮小，進而維持壓力容器內的氣壓在設定值上。當壓力貯液槽內的液位高于或低于規定的上下液位限時，貯液槽的上下液位開關動作，液位控制裝置在接收到這個動作信號后，控制壓縮空氣源向壓力容器充氣或將容器內的多余氣體放掉，使壓力貯液槽內的液位重新回到增壓泵可控的范圍內。

在采取上述技術手段后，液體流量標準檢定裝置可以具有相當于水塔穩壓流體源的流量穩定性，同時又避免了水塔穩壓投資多、占據地面空間大、水塔高度限制難以達到高雷諾數的缺陷。

當該液體流量標準檢定裝置使用氣動式夾表器、氣動調節器以及氣動關斷閥等耗氣型器件時，這些器件應使用另一儲氣罐供氣，空氣壓縮機可以隨時給該儲氣罐供氣，從而避免影響壓力容器內氣壓的穩定。

3 檢定裝置的檢定

對于傳統的靜態法流量標準檢定裝置來說，換向器換入換出的雙向切換過程對裝置的檢定精度影響很大，雖然在這方面已經做了很多改進工作，但由于換向器的雙向切換過程不對稱造成的誤差仍是影響流量標準檢定裝置檢定精度的主要因素［6-7］。因此，要想進一步提高檢定裝置的檢定精度，必須在不使用換向器的動態法上想辦法。

在液體流量標準檢定裝置的檢定過程中，一方面，整個計時時間段均選在液體流動處于穩定狀態時;另一方面液體的動能沖擊力由增加的一個下位溢流常壓容器吸收，減小了動能沖擊力對標準稱量容器的影響。采取上述措施后，檢定裝置的檢定誤差主要取決于標準稱量容器內液體體積或重量的測量誤差。因此，該液體流量標準檢定裝置可以取得與靜態法相當或更高的檢定精度。

檢定裝置的工作過程如下。

開啟工作閥和檢定閥，啟動循環泵和增壓泵。流量調節器(圖中未畫出)以預定的檢定流量點為給定值，由調節用流量計實測試驗管段內的液體流量;流量調節器根據這個實測值與給定值之間的偏差進行控制運算，以與控制運算結果相關的調節器輸出信號去調節調節閥開度，最后使試驗管段內的流量穩定在檢定流量點上。

當流量在該檢定流量點上穩定后，關閉檢定閥，標準稱量容器內的液位上升，容器內的液位由標準壓力表檢測。避開檢定閥關閉初期壓力變化不穩定的時段，選擇壓力穩定上升的液位變化區間內的兩個液位作為計時開始液位與計時結束液位。當液位上升到計時開始液位處時，計時開始;當液位繼續上升到計時停止液位處時，計時停止，并重新開啟檢定閥。

體積流量公式為:

式中:qV為體積流量;Δt為計時時間;ΔV為Δt計時時間內標準稱量容器中液體的體積累積量。

如果檢定閥關斷后，在整個計時時間Δt內閥門的泄漏量為零或可忽略不計。由上述檢定過程獲得的Δt和ΔV，即可獲得標準的體積流量qV;并以此標準流量去比對試驗管段上待檢定流量計對應的輸出信號值，即完成待檢定流量計一個檢定流量點的檢定工作。

由于文中介紹的液體流量標準檢定裝置的制作成本雖然比使用水塔的流量標準檢定裝置低，但需要的費用仍比較大，因此，僅做了一個小型樣機(試驗管段DN20口徑)。在5個不同的流量點上，使用精度等級為0.5的渦輪流量計與標準稱量容器分別對每一流量點進行了15次等精度計量。計量結果顯示，標準稱量容器計量數據的不確定度要比渦輪流量計精確1～2個精度等級，如表1所示。試驗結果說明樣機流體源的流量穩定性是符合設計要求的。

表1 流量標準檢定裝置的不確定度Tab.1 Uncertainty of the flow standard calibration facility

4 結束語

在本文介紹的液體流量標準檢定裝置的流體源設計中，考慮了如何對水塔法和容積穩壓法的優點兼收并蓄，并采用了無需換向器的動態法對流量計進行檢定。與裝置的流體源相比，容積穩壓法的流體源和水塔法的流體源的壓力穩定性更好、檢定精度更高，占地面積更小、價格更低。因此，使用該裝置可有效提高容積穩壓法流體源的穩定性和動態法檢定精度。小型樣機的試驗數據表明，該裝置的原理可行，檢定精度符合設計要求，易于實現檢定的自動化，效率較高。

［1］蘇彥勛，盛健，梁國偉.流量計量與測試［M］.北京:中國計量出版社，1992.

［2］梁國偉，蔡武昌.流量測量技術及儀表［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［3］孫向東，李斌，馬宇峰.靜態容積法流量標準裝置的架構［J］.自動化儀表，2007，28(4):12-15.

［4］范玉久.化工測量及儀表［M］.北京:化學工業出版社，2002.

［5］湯守先.水塔穩壓靜態容積式水流量標準裝置的設計［J］.煉油化工自動化，1990(1):2-9.

［6］張玲艷，李鳴，張衛華.靜態容積法流量計檢定系統的誤差分析與研究［J］.計量與測試技術，2006，33(8):33-35.

［7］孟濤，王池，陳曉銘.流量裝置中換向器檢定方法的研究［J］.計量學報，2008，29(5):420-422.

Fluid Standard Calibration Facility with Low Pressure Vessel and Built-in Overflow Sink

For implementing standard calibration of the fluid，the method using water tower features height restriction，while the method of pressure stabilized vessel is in low calibration accuracy，aiming at these problems，a novel fluid standard calibration facility is designed.With this facility，overflow sink is adopted in the sealed low pressure vessel to obtain stable water level，and stable air pressure is acted on the stable water surface.By using dynamic method without diverter，the calibration is implemented by this facility;in addition，some measures to ensure calibration accuracy are adopted.The facility possesses the same advantage of flow stability as the water tower;and the same advantage of high Reynolds number as the pressure stabilized vessel.Also it offers high calibration efficiency while the construction cost is lower than water tower and covers smaller area.The experimental data of the prototype indicate that the accuracy is up to 0.1%and meets the design requirement.

Calibration facility Overflow pool Low pressure vessel Reynolds number Dynamic method

TH814

A

修改稿收到日期:2011-10-08。

作者張廣忠(1955-)，男，1982年畢業于黑龍江省廣播電視大學電子技術專業，高級工程師;主要從事自動控制方面的研究。