車載氣體流量校準裝置配套方案探討

信彥峰，桑培勇，賈正紅，卜慶娟

(國防科技工業(yè)4113二級計量站，河南新鄉(xiāng)453049)

0 引言

車載氣體流量現(xiàn)場校準裝置是實現(xiàn)氣體流量現(xiàn)場在線和離線校準的一種車載計量系統(tǒng)。文中對裝置整體方案和工作原理進行了簡單描述，該裝置采用標準表法氣體流量標準裝置集成被動活塞氣體流量標準裝置的結構，其測量原理是基于封閉管路的流體連續(xù)性方程，對標準容積、標準質量和標準時間等進行測量，從而得到標準流量。裝置適用于中、小氣體流量的現(xiàn)場校準。本文將結合具體技術指標，對裝置的主要子系統(tǒng)配置方案進行闡述。

1 設計指標

圖1 裝置整體結構原理圖

流量范圍:0.003～350 m3/h，最大流量設計為350 m3/h即可滿足常見同口徑流量最大氣體流量儀表(DN50渦街流量計)的校準需求。微小流量一般多用于氧氣、二氧化碳、氮氣、氫氣、氬氣等。0.003 m3/h下限流量基本滿足要求。

不確定度:活塞系統(tǒng)0.25%(k=2)，標準流量計系統(tǒng)0.5%(k=2)即可滿足0.5至1.0級高精度氣體流量儀表的校準要求。

2 設計方案

裝置主要由被動活塞氣體流量標準裝置系統(tǒng)、標準流量計系統(tǒng)、車載平臺系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)、流量和壓力調節(jié)系統(tǒng)、溫度和壓力測量系統(tǒng)、管路閥門系統(tǒng)、計算機數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)等組成。其結構原理如圖1所示。

其中被動活塞氣體流量標準裝置系統(tǒng)、標準流量計系統(tǒng)及車載氣源系統(tǒng)是裝置配置重點，以下逐一闡述。

2.1 被動活塞氣體流量標準系統(tǒng)

按照活塞類型的不同，被動活塞氣體流量標準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準裝置由于體積較大且含有水銀成分，多被用作實驗室固定的氣體流量標準裝置。本項目采用性能更穩(wěn)定、結構更緊湊的石墨活塞式氣體流量標準裝置。

被動活塞氣體流量標準裝置計量性能幾乎完全不受介質溫度、密度、粘度等變化因素的影響;非常適合現(xiàn)場多種常用特殊氣體體積流量的準確校準，通過相應的計算還可以的到精確的質量流量。影響裝置準確度的因素少，通過精密加工和有效溯源即可實現(xiàn)標準裝置的高準確度。車載被動活塞式體積管系統(tǒng)工作原理圖如下:

圖2 被動活塞式體積管工作原理圖

車載被動活塞式體積管系統(tǒng)主標準器由玻璃缸體、活塞、控制閥門、光電開關、溫度/壓力變送器等構成，系統(tǒng)主要包括基座和流量單元。基座包含支撐底座、時基和大氣壓力傳感器等;流量單元是執(zhí)行實際物理量測量的單元，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在玻璃缸里通過一個已知的距離，通過計時裝置同步測得行程的精確時間，利用測控軟件系統(tǒng)對相關數(shù)據(jù)進行運算得到精確的標準流量。系統(tǒng)測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)的被動活塞式氣體流量校準系統(tǒng)應當包括一個無質量、無摩擦、無泄漏、形狀恒定的活塞和一個具有良好氣密性的汽缸。

活塞通過一個已知的距離(即已知的體積)所需時間為t，根據(jù)時間和標準體積計算出標準體積流量。

式中:q為活塞系統(tǒng)體積流量，m3/s;V為活塞系統(tǒng)標準體積，m3;D為玻璃缸內徑(玻璃缸內徑可由三坐標測量儀測量，測量精度約為0.001mm)，m;h為活塞運動位移，即光電開關之間距離(可由激光干涉儀測量，激光干涉儀距離標定準確度約為0.5×10-6)，m;t為活塞運動時間，s。

裝置活塞系統(tǒng)采用美國進口成品，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型氣體質量流量控制器實現(xiàn)系統(tǒng)微小流量的精準調節(jié)，控制精度可以達到0.7%。活塞系統(tǒng)還需要配套減震底座、過濾器和減壓閥等。

2.2 標準流量計系統(tǒng)

標準流量計要求具備良好的穩(wěn)定性、重復性、復現(xiàn)性及線性度。為了滿足不用流量和不同類型流量儀表的校準要求，標準流量計系統(tǒng)一般可采用單獨使用和并聯(lián)的使用方法，并聯(lián)便于實現(xiàn)更寬的流量范圍。

常見氣體流量儀表同口徑中流量上限最大的為渦街流量計，流量下限最小的為腰輪流量計和質量流量計。與渦輪和渦街這類速度式流量計不同，腰輪流量計屬于容積式流量計，具有很好的穩(wěn)定性，非常適合于離線及在線體積流量的直接計量，且其本身沒有相應的直管段要求，現(xiàn)場安裝特別靈活、方便，非常適合現(xiàn)場狹小空間的安裝和使用。質量流量計(科式力式)屬于精密新型流量儀表，具有良好的綜合性能，且受介質壓力、溫度、密度、粘度等參數(shù)不敏感，適合對氣體質量流量的直接測量，尤其適用于高壓狀態(tài)下各種氣體的在線校準。另外，氣體渦輪流量計的重復性和穩(wěn)定性能較突出。因此考慮到標準流量計的流量范圍、工作原理、工作過程、精度及成本等因素。裝置標準流量計系統(tǒng)配制如下表所示:

表2 裝置選用標準流量計表

2.3 車載氣源系統(tǒng)

車載氣源系統(tǒng)主要包括兩套高壓旋渦風機系統(tǒng)和一套車載空壓機系統(tǒng)等，其中高壓旋渦風機系統(tǒng)能為現(xiàn)場裝置提供正壓和負壓氣源，高壓旋渦風機具有壓力穩(wěn)定、超低噪音、振動小、無油無污染等優(yōu)勢:

經過調研，裝置擬采用大、小兩套高壓旋渦風機系統(tǒng)，其中大型高壓旋渦風機主要性能為馬達相數(shù):三相;設計形式: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:74 Db。小型高壓旋渦風機主要性能為馬達相數(shù):三相;設計形式: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:58 Db。

風機系統(tǒng)中的大型高壓旋渦風機基本能滿足裝置氣體寬流量(350m3/h)和DN50口徑以下流量儀表的離線校準。小型高壓旋渦風機最大吹力達到310mBar，能滿足中高壓損流量儀表的現(xiàn)場校準要求。

通過車載變頻控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)變頻一拖二的運行功能。即變頻器既可以單獨驅動其中一臺高壓旋渦風機運行，又能實現(xiàn)同時驅動兩臺高壓旋渦風機，通過變頻控制不僅能節(jié)能，還能降低現(xiàn)場震動和噪音。

另外，為滿足高壓損流量儀表的現(xiàn)場校準、車載氣動夾表器及氣動閥門等元器件的工作要求。裝置配套車載小型活塞式空壓機，空壓機性能為排氣量:0.036 m3/min;壓力:0.8 MPa;功率:0.55 kW;電壓220 V。車載氣源系統(tǒng)只需接入試驗現(xiàn)場動力電源即可驅動整套裝置運轉，使裝置現(xiàn)場使用限制條件少、適用性強。

2.4 車載管路閥門系統(tǒng)

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

車載主管路采用DN50不銹鋼管道，配套其余常用小口徑試驗管路采用內插或局部替代方式實現(xiàn)連接裝夾。被校準流量計采用DN50車載氣動夾表器裝夾，驅動氣源來源于車載空壓機系統(tǒng)。

為了減小震動對標準流量計和被校準流量計的影響，標準流量計直管段與主體聯(lián)結處設置柔性聯(lián)接;被校準流量計裝夾管路與車載氣源系統(tǒng)及滯止緩沖容器系統(tǒng)間也采用柔性聯(lián)結;試驗管路支架與車載平臺之間采取加裝減震墊或減震器的減震安裝方式。

3 結束語

本文結合具體設計指標，對一種氣體流量現(xiàn)場校準裝置的活塞式氣體流量標準系統(tǒng)具體選型、標準流量儀表配置方案、氣源系統(tǒng)設計等進行了闡述。文中不足之處請多指正。

［1］蘇彥勛，李金海.流量計量［M］.北京:中國計量出版社，1991.

［2］蘇彥勛，梁國偉，盛健.流量計量與測試［M］.北京:中國計量出版社，2007.

［3］段慧明.標準表法流量標準裝置和液體流量標準裝置［M］.北京:中國計量出版社，2004.