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(nèi)含溢流槽的流體標(biāo)準(zhǔn)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(duì)水塔法水塔高度受限而容器穩(wěn)壓法檢定精度不高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型流體標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置。該裝置在密閉低壓容器中采用溢流池獲得穩(wěn)定液位，并在其穩(wěn)定液面上作用穩(wěn)定氣壓;使用無(wú)需換向器的動(dòng)態(tài)法進(jìn)行檢定，并采取措施保證檢定精度。該裝置兼有水塔流量穩(wěn)定性和容器穩(wěn)壓法高雷諾數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，且檢定效率高，造價(jià)和占地面積也比水塔法少。樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，其檢定精度可達(dá)0.1%，符合設(shè)計(jì)要求。

檢定裝置 溢流池 低壓容器 雷諾數(shù) 動(dòng)態(tài)法

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，各種流量表的使用量越來(lái)越大［1］。為保證所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，這些流量表須定期在標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置上進(jìn)行檢定。由于檢定對(duì)流體源的流量穩(wěn)定性要求很高，目前廣泛使用靜態(tài)法檢定裝置［2］。但靜態(tài)法有兩方面缺點(diǎn)［3］:在流體源方面，由于水塔的存在，使得建造投資多、占據(jù)地面空間大，且對(duì)水塔高度有限制;在檢定方法方面，換向器易產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，且檢定過(guò)程斷續(xù)進(jìn)行，較耗費(fèi)時(shí)間。

為克服上述缺點(diǎn)，本文一方面采用水塔法和容積穩(wěn)壓法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的流體源;另一方面采用檢定過(guò)程連續(xù)進(jìn)行、易于檢定自動(dòng)化的動(dòng)態(tài)法。動(dòng)態(tài)法在檢定大流量時(shí)，液體動(dòng)能沖擊力的影響使該方法的檢定精度低于靜態(tài)法［4］，但這個(gè)影響可用文中介紹的方法基本消除掉。

1 檢定裝置結(jié)構(gòu)組成

本文研制的流體標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 流體標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置結(jié)構(gòu)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(huán)泵及相應(yīng)管道的流體源;另一部分是包括試驗(yàn)管段、待檢定流量計(jì)、調(diào)節(jié)用流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)量容器、標(biāo)準(zhǔn)液位計(jì)、工作閥、檢定閥的檢定設(shè)備。

上位溢流壓力容器是采用溢流結(jié)構(gòu)獲得穩(wěn)定液位的密閉壓力容器。壓力貯液槽內(nèi)的液體由循環(huán)泵注入上位溢流壓力容器，注入的液體一部分經(jīng)試驗(yàn)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(jīng)溢流管流回壓力貯液槽。

下位溢流常壓容器也采用溢流結(jié)構(gòu)，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(lái)自同一壓縮空氣源P0)。來(lái)自試驗(yàn)管段的液體在下位溢流常壓容器內(nèi)成為溢流。該溢流流進(jìn)不需換向器的標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)量容器，流進(jìn)容器的液體根據(jù)檢定閥的啟閉流至常壓貯液槽或在該容器內(nèi)逐漸累積，常壓貯液槽內(nèi)的液體由增壓泵經(jīng)止回閥泵入壓力貯液槽。標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)量容器配有能夠高精度測(cè)量其液體液位的標(biāo)準(zhǔn)壓力表。

2 檢定裝置的流體源

在計(jì)時(shí)時(shí)間內(nèi)，流量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置的標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)量容器提供一個(gè)精確的液體累積值，并與同一時(shí)間內(nèi)待檢定流量計(jì)輸出信號(hào)的累積值進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而得到待檢定流量計(jì)的測(cè)量誤差。由于流量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置實(shí)質(zhì)上是以平均流量來(lái)代替瞬時(shí)流量去檢定流量待檢定流量計(jì)的，因此在計(jì)時(shí)時(shí)間內(nèi)，檢定介質(zhì)的流量應(yīng)當(dāng)是穩(wěn)定的，即流量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置必須有一個(gè)壓力穩(wěn)定的流體源。

考慮到水塔內(nèi)處于溢流狀態(tài)的水池能夠獲得穩(wěn)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(shù)的檢定介質(zhì);容器穩(wěn)壓法中壓力容器內(nèi)的高壓氣體很容易使檢定介質(zhì)達(dá)到很高的雷諾數(shù)，但卻難以獲得較高的流量穩(wěn)定性。因此，研制的流體源采用溢流結(jié)構(gòu)的壓力容器的方案。

要想在壓力容器內(nèi)實(shí)現(xiàn)溢流，則上、下位壓力容器內(nèi)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(dá)到對(duì)上位壓力容器內(nèi)溢流池液位穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求，就必須保證足夠長(zhǎng)的溢流堰，并將多余的液體通過(guò)堰頂流入堰槽，匯集成溢流排走，從而保證溢流池液位波動(dòng)在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

為減少溢流池液位波動(dòng)，還應(yīng)保證溢流池容積在最大流量時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)能在池內(nèi)停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間(該停留時(shí)間一般取3 min［5］)，以便循環(huán)泵從溢流池底部經(jīng)消能器打入溢流池后，液體中夾帶的氣體有充裕的時(shí)間釋放出去。如果時(shí)間過(guò)短，氣體釋放不徹底，就會(huì)被夾帶到試驗(yàn)管段內(nèi)，使流量測(cè)量的分散性增大，精度亦達(dá)不到要求。溢流池的深度要保證通徑最大的、通往試驗(yàn)管段的出水管在最大流量時(shí)不致因抽吸而在液面產(chǎn)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(guò)程中的耗氣量很少，因而為其供氣的儲(chǔ)氣罐所配套的空氣壓縮機(jī)在檢定過(guò)程中可以停機(jī)，以保證儲(chǔ)氣罐與兩個(gè)壓力容器內(nèi)氣壓基本達(dá)到穩(wěn)定一致。此時(shí)，增壓泵為變頻調(diào)速泵，液位控制裝置可根據(jù)壓力容器內(nèi)的氣壓情況(高于或低于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)的氣相空間增大或縮小，進(jìn)而維持壓力容器內(nèi)的氣壓在設(shè)定值上。當(dāng)壓力貯液槽內(nèi)的液位高于或低于規(guī)定的上下液位限時(shí)，貯液槽的上下液位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，液位控制裝置在接收到這個(gè)動(dòng)作信號(hào)后，控制壓縮空氣源向壓力容器充氣或?qū)⑷萜鲀?nèi)的多余氣體放掉，使壓力貯液槽內(nèi)的液位重新回到增壓泵可控的范圍內(nèi)。

在采取上述技術(shù)手段后，液體流量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置可以具有相當(dāng)于水塔穩(wěn)壓流體源的流量穩(wěn)定性，同時(shí)又避免了水塔穩(wěn)壓投資多、占據(jù)地面空間大、水塔高度限制難以達(dá)到高雷諾數(shù)的缺陷。

當(dāng)該液體流量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置使用氣動(dòng)式夾表器、氣動(dòng)調(diào)節(jié)器以及氣動(dòng)關(guān)斷閥等耗氣型器件時(shí)，這些器件應(yīng)使用另一儲(chǔ)氣罐供氣，空氣壓縮機(jī)可以隨時(shí)給該儲(chǔ)氣罐供氣，從而避免影響壓力容器內(nèi)氣壓的穩(wěn)定。

3 檢定裝置的檢定

對(duì)于傳統(tǒng)的靜態(tài)法流量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置來(lái)說(shuō)，換向器換入換出的雙向切換過(guò)程對(duì)裝置的檢定精度影響很大，雖然在這方面已經(jīng)做了很多改進(jìn)工作，但由于換向器的雙向切換過(guò)程不對(duì)稱(chēng)造成的誤差仍是影響流量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置檢定精度的主要因素［6-7］。因此，要想進(jìn)一步提高檢定裝置的檢定精度，必須在不使用換向器的動(dòng)態(tài)法上想辦法。

在液體流量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置的檢定過(guò)程中，一方面，整個(gè)計(jì)時(shí)時(shí)間段均選在液體流動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí);另一方面液體的動(dòng)能沖擊力由增加的一個(gè)下位溢流常壓容器吸收，減小了動(dòng)能沖擊力對(duì)標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)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(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)量容器內(nèi)液體體積或重量的測(cè)量誤差。因此，該液體流量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置可以取得與靜態(tài)法相當(dāng)或更高的檢定精度。

檢定裝置的工作過(guò)程如下。

開(kāi)啟工作閥和檢定閥，啟動(dòng)循環(huán)泵和增壓泵。流量調(diào)節(jié)器(圖中未畫(huà)出)以預(yù)定的檢定流量點(diǎn)為給定值，由調(diào)節(jié)用流量計(jì)實(shí)測(cè)試驗(yàn)管段內(nèi)的液體流量;流量調(diào)節(jié)器根據(jù)這個(gè)實(shí)測(cè)值與給定值之間的偏差進(jìn)行控制運(yùn)算，以與控制運(yùn)算結(jié)果相關(guān)的調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)去調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，最后使試驗(yàn)管段內(nèi)的流量穩(wěn)定在檢定流量點(diǎn)上。

當(dāng)流量在該檢定流量點(diǎn)上穩(wěn)定后，關(guān)閉檢定閥，標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)量容器內(nèi)的液位上升，容器內(nèi)的液位由標(biāo)準(zhǔn)壓力表檢測(cè)。避開(kāi)檢定閥關(guān)閉初期壓力變化不穩(wěn)定的時(shí)段，選擇壓力穩(wěn)定上升的液位變化區(qū)間內(nèi)的兩個(gè)液位作為計(jì)時(shí)開(kāi)始液位與計(jì)時(shí)結(jié)束液位。當(dāng)液位上升到計(jì)時(shí)開(kāi)始液位處時(shí)，計(jì)時(shí)開(kāi)始;當(dāng)液位繼續(xù)上升到計(jì)時(shí)停止液位處時(shí)，計(jì)時(shí)停止，并重新開(kāi)啟檢定閥。

體積流量公式為:

式中:qV為體積流量;Δt為計(jì)時(shí)時(shí)間;ΔV為Δt計(jì)時(shí)時(shí)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)量容器中液體的體積累積量。

如果檢定閥關(guān)斷后，在整個(gè)計(jì)時(shí)時(shí)間Δt內(nèi)閥門(mén)的泄漏量為零或可忽略不計(jì)。由上述檢定過(guò)程獲得的Δt和ΔV，即可獲得標(biāo)準(zhǔn)的體積流量qV;并以此標(biāo)準(zhǔn)流量去比對(duì)試驗(yàn)管段上待檢定流量計(jì)對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)值，即完成待檢定流量計(jì)一個(gè)檢定流量點(diǎn)的檢定工作。

由于文中介紹的液體流量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置的制作成本雖然比使用水塔的流量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置低，但需要的費(fèi)用仍比較大，因此，僅做了一個(gè)小型樣機(jī)(試驗(yàn)管段DN20口徑)。在5個(gè)不同的流量點(diǎn)上，使用精度等級(jí)為0.5的渦輪流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)量容器分別對(duì)每一流量點(diǎn)進(jìn)行了15次等精度計(jì)量。計(jì)量結(jié)果顯示，標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)量容器計(jì)量數(shù)據(jù)的不確定度要比渦輪流量計(jì)精確1～2個(gè)精度等級(jí)，如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明樣機(jī)流體源的流量穩(wěn)定性是符合設(shè)計(jì)要求的。

表1 流量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置的不確定度Tab.1 Uncertainty of the flow standard calibration facility

4 結(jié)束語(yǔ)

在本文介紹的液體流量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置的流體源設(shè)計(jì)中，考慮了如何對(duì)水塔法和容積穩(wěn)壓法的優(yōu)點(diǎn)兼收并蓄，并采用了無(wú)需換向器的動(dòng)態(tài)法對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢定。與裝置的流體源相比，容積穩(wěn)壓法的流體源和水塔法的流體源的壓力穩(wěn)定性更好、檢定精度更高，占地面積更小、價(jià)格更低。因此，使用該裝置可有效提高容積穩(wěn)壓法流體源的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)法檢定精度。小型樣機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該裝置的原理可行，檢定精度符合設(shè)計(jì)要求，易于實(shí)現(xiàn)檢定的自動(dòng)化，效率較高。

［1］蘇彥勛，盛健，梁國(guó)偉.流量計(jì)量與測(cè)試［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1992.

［2］梁國(guó)偉，蔡武昌.流量測(cè)量技術(shù)及儀表［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］孫向東，李斌，馬宇峰.靜態(tài)容積法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的架構(gòu)［J］.自動(dòng)化儀表，2007，28(4):12-15.

［4］范玉久.化工測(cè)量及儀表［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［5］湯守先.水塔穩(wěn)壓靜態(tài)容積式水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)［J］.煉油化工自動(dòng)化，1990(1):2-9.

［6］張玲艷，李鳴，張衛(wèi)華.靜態(tài)容積法流量計(jì)檢定系統(tǒng)的誤差分析與研究［J］.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，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(jì)量學(xué)報(bào)，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(yè)于黑龍江省廣播電視大學(xué)電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)，高級(jí)工程師;主要從事自動(dòng)控制方面的研究。