CN109520595A - 一种直接校正式大口径气体流量标准装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体流量测量技术领域，公开了一种直接校正式大口径气体流量标准装置，包括标准表装置，所述的标准表包括均匀气流发生器和溯源仪表，均匀气流发生器的前端口和后端口连通形成气流通道，气流通道的通道壁按照维辛斯基曲线或者伯努利双纽线曲线收缩；均匀气流发生器侧壁上设有取压口，取压口连接溯源仪表；均匀气流发生器的后端口依次连通上游管、被检表、下游管和风机，所述被检表和溯源仪表均连接检测控制装置，检测控制装置连接变频调速控制装置，变频调速控制装置还与风机电连接并控制风机的转速。本发明结构简单，使用方便，实现容易，且测量精度高，稳定性好，值得推广使用。

Description

一种直接校正式大口径气体流量标准装置

技术领域

本发明属于气体流量测量技术领域，具体涉及一种直接校正式大口径气体流量标准装置。

背景技术

气体流量标准装置是一个完整独立的、能对气体流量计提供高准确流量量值的设备，可用于国家的计量传递。

气体流量标准装置包括直接校正式和间接校正式。直接校正式标准装置指的是在校正气体流量时，通过操作一个气体流量传感器，依次产生任意量(几万到几十万m³/h)的标准装置。间接校正式标准装置指的是采用多只小口径的标准气体流量计并联使用获得大流量校正；或采用多点法，经过数学处理得到全截面的流速分布，从而获得大流量的气体流量测定结果。目前大口径气体流量标准装置在国际上都采用间接校正法。

采用间接校正的方法是“曹冲称象”，用很多只流量标准传感器来测量大口径气体的流量，所以只要口径大一些，气流速度变大一点，这种间接校正的方式就不适用了，不能满足测量的要求。从技术上讲，小口径传感器就是在管道中安装流量传感器而取得流量信号的，例如节流式传感器，目前工业现场大部分流量测量都采用这种方法。但是这种方法的最大缺点就是压力损耗很大，因为它是在定常流条件下，破坏原流场，并产生大量涡流的状态下取得流量信号，这就决定了这种技术不可能获得高的精度，至于运用到大口径流量的测量中更是不可能的。

大口径气体流量计需要适应大口径气体流量标准，目前人们从理论和实践中都没有找出解决大口径气体流量计和校准解决方案。世界各国都没有整体的大口径气体流量标准装置用于计量传递；现有的做法是采用标准表法，配上几套标准气体流量计并联使用。例如：加拿大用四条DN400管道与两条DN200管道并联，使用涡轮流量计做标准表，设计出了北美最大的天然气标准装置，其口径为750mm；在荷兰，采用10台平行的容积式气体流量计组成标准装置，每一台最大流量为400m³/h。采用上面的这种间接方法，从制作、投资、动力、占地、消耗等方面考虑却都不是一件简单的事。如何设计大口径气体流量标准装置的问题，人类已经做了非常多的工作，但是目前遇到的困难较多。

怎样看待大口径气体流量计量标准的技术现状？如果没有一个正确可行的办法，将无法前进；人们必须从原有的技术水平现状中脱离出来。

原有的技术方案即是间接地解决大口径气体流量标准测量，这种方法已经束缚了人们的工作方向。大口径问题怎么解决，谁也不知道，所以人们只能用小口径的技术方案解决大口径问题，于是产生了“间接测量”方法。在新的方法没有找到之前，人们只能用小口径技术解决大口径应用技术问题，困难较大，人们总是希望通过人的努力来真正解决大口径问题。

例如，在《DN600大口径气体流量标准装置的工艺设计研究》中，人们尝试用音速喷嘴法把流量增大；在《大口径气体流量***设计》中，采用皮托管测量原理的测管式流量计；在《基于风洞装置校准大口径气体流量计的研究》中提出的大口径气体流量校准思路。然而纵使有诸多研究，用于大口径气体流量测量方法还是离不开间接测量，人们并没有真正解决该技术问题。

计量基准本身就意味着它是一个高精度***，具有低的不确定度，重复性高，复现性强。从流体力学的角度来看待这一特征，高精度流量检测来自稳定的流场，稳定的流场意味着流量是均匀的，涡流影响极小，直至减小到不影响高精度计量的最高水平。而涡流减小到理想程度，就意味着产生流量信号的原理不再是节流技术，不再是人为地用节流件去改变定常流流量而获得流量信号，而应该在正常的自然流动中找办法。其实如果流动是均匀的，那么关于稳定的流场、低损耗、重复性好、复现性强的问题自然就解决了。在流体力学中，不难理解紊流附面层流量计算机理，这可以作为解决问题的理论基础。

因此，在本领域存在的亟待解决的技术问题，需要提出更为合理的技术方案，解决以上技术问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种直接校正式大口径气体流量标准装置，旨在根据紊流附面层计算机理，通过均匀气流发生器和在均匀场中获取压力信号的方法，实现运用附面层理论计标流量，用直接校正的方法制成了大口径气体流量标准装置，能够提供稳定、重复性好、复现性好和高精度的流量测量。

本发明所采用的技术方案为：

一种直接校正式大口径气体流量标准装置，包括单一标准表装置；所述单一标准表装置的口径范围为φ300mm-φ2000mm；所述单一标准表装置内气体流速≥40m/s，所述标准表装置的不确定度为0.3％-0.5％；所述标准表装置整体直接给出标准流量，所述标准流量≥2.4╳10⁵m³/h；所述标准流量通过如下公式进行计算：

其中，m_实表示标准流量，单位为kg/h；K_P表示压力校正系数；K_T表示温度校正系数；α表示仪表系数；ε表示膨胀系数，计算至小数点后9位以上；D表示标准表装置的口径，单位为m；ρ_a表示空气标准状况下密度，单位是kg/m³；Δh_H2O表示差压值，单位是mmH₂O；δ表示重力加速度且δ＝9.8m/s²，以上参数需要计算和测量。

以风机为主体的气源系列组成标准流量产气机械部分，所述的标准表位于流体管装置的前端，标准表包括均匀气流发生器和溯源仪表，均匀气流发生器的前端口为广口，后端口为圆形端口，前端口和后端口连通形成气流通道，气流通道的通道壁按照维辛斯基曲线或者伯努利双纽线曲线收缩，均匀气流发生器用于产生均匀气流；均匀气流发生器侧壁上设有取压口，所述取压口能够提供相对于大气压的微差压信号并转换成4～20mA的电信号，取压口连接溯源仪表；均匀气流发生器的后端口依次连通上游管、被检表、下游管和风机，所述被检表和溯源仪表器均连接检测控制装置，检测控制装置连接变频调速控制装置，变频调速控制装置还与风机电连接并控制风机的转速。

进一步的，所述的上游管的管径为φ300mm～φ2000mm，上游管的长度等于其管径的10倍。

再进一步，所述的下游管的管径为φ300mm～φ2000mm，下游管的长度等于其管径的5倍。

为了满足多种口径的气体流量测量标准并对比，上游管和下游管的管径可在范围值内根据需求选取。

再进一步，所述的上游管、被检表、下游管和风机的过流通道口径相同，且均匀气流发生器、上游管、被检表、下游管和风机同轴连通。这样设置的好处是，可提高气流的稳定性，避免出现局部涡流，保证气流场的稳定性。上述气流通道由数控机床精加工而成，采用合金铝或不锈钢等材料制成。

进一步的，所述的传感器包括大气压力传感器、压差传感器、温度传感器和湿度传感器。传感器的作用是感应工况状态下的气流参数，并将参数信息以传感器信号的形式发送至检测控制装置，当被检表的检测参数与传感器信号探测的参数极为接近时，可判断被检表的精度较高；当被检表的检测参数与传感器信号探测的参数出入较大时，可判断被检表的精度不达标，并能够直接给出不达标的具体参数，可有针对性地进行调校。具体的，溯源结果包括大气压力信号，温度信号和湿度信号等，上述测量信号为工况条件下的量值，上述信号值与管道内径、校准设定值以及流体常数一起输入到检测***中，经过流量运算后获得标准流量电信号，然后输出至控制***中进行变频调速，改变风机转速，获得标准气体流量量值流动。

进一步的，所述的风机为轴流式风机，轴流式风机产生的气流流场轴向性好，更加稳定，有效避免粘滞力对气场造成的影响和破坏。

进一步的，作为一种优选的方案，当所述的气流通道的通道壁按照伯努利双纽线收缩时，通道壁的走向符合方程式ρ²＝a²cos2θ，其中a＝0.65，θ＝0～45°,α与D的比值为0.6～0.8，必要时可大于0.8；气流通道的走向符合该方程式构成的曲线形状，在实际方案中采取的是其中的一部分曲线，最终成型后气流通道呈现前端广口，后端收口的形状。这样设置的意义在于，可从上下、左右、前后等多个方向引流，将气流引入气流通道，并不破坏气流的稳定性。均匀气流发生器的管壁形状采用双纽线型是最佳方案，还可按照其他呈收缩状的连续曲线进行设计，并置于过流通道的前端头处。

进一步的，为了更好地保证气流流场的稳定性，所述的上游管和下游管的管径上偏差为+0.03mm，下偏差为-0.03mm。

再进一步，为了减小气流流场中的粘滞力，避免局部涡流的产生，所述的上游管和下游管的内管壁均经过抛光打磨，使内管壁的阻力系数小于0.06，在气流通过时产生的阻力小。

进一步的，所述的检测控制装置包括计算机、显示器和打印机，所述的被检表、显示器和打印机分别连接到计算机。计算机用于对传感器信号进行接收和分析，以及对被检表进行检测并产生检测参数，显示器用于直观显示计算机的检测结果，打印机可用于打印检测结果。

在本发明中，变频调速控制装置根据检测控制装置的检测结果，根据温度变化、大气压力变化、湿度变化等因素，进行PID调节，调节转速给出准确的质量流量量值。

在本发明中，所述的电机供电电路中还设置有安全保护和抗干扰设计。

本发明的有益效果为：

1.本发明包括标准表装置、上游管、被检表、下游管和电机，结构简单，使用方便，实现容易，且测量精度高，稳定性好。

2.本发明中公开的标准表装置包括均匀气流发生器，该均匀气流发生器的结构能够从多个角度对气流进行引流，并实现气流流场的稳定，在均匀气流发生器中能够产生快速的、无阻力的气流流场，对提高被检表的检测精准度有积极作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1是本发明的组成部件示意图。

图中：1-均匀气流发生器；101-取压口；2-上游管；3-被检表；4-下游管；5-风机；6-溯源仪表；7-检测控制装置；8-变频调速控制装置。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

实施例：

如图1所示，本实施例公开了一种直接校正式大口径气体流量标准装置，包括单一标准表装置；所述单一标准表装置的口径范围为300mm-2000mm；所述单一标准表装置内气体流速≥40m/s；所述标准表装置的不确定度为0.3％-0.5％；所述标准表装置整体直接给出标准流量；所述标准流量通过如下公式进行计算：

其中，m_实表示标准流量，单位为kg/h；K_P表示压力校正系数；K_T表示温度校正系数；α表示仪表系数；ε表示膨胀系数，计算至小数点后9位以上；D表示标准表装置的口径，单位为m；ρ_a表示空气标准状况下密度，单位是kg/m³；Δh_H2O表示差压值，单位是mmH₂O，δ表示重力加速度且δ＝9.8m/s²，以上参数需要计标和测量。

所述的标准表包括均匀气流发生器1和溯源仪表6，均匀气流发生器的前端口为广口，后端口为圆形端口，前端口和后端口连通形成气流通道，气流通道的通道壁按照维辛斯基曲线或者伯努利双纽线曲线收缩；均匀气流发生器侧壁上设有取压口101，所述取压口能够提供相对于大气压的微差压信号，取压口连接溯源仪表；均匀气流发生器的后端口依次连通上游管2、被检表3、下游管4和风机5，所述被检表和溯源仪表均连接检测控制装置7，检测控制装置连接变频调速控制装置8，变频调速控制装置还与风机电连接并控制风机的转速。

在本实施例中，所述的上游管的管径为φ750mm，上游管的长度等于其管径的10倍即7.5m。

同时，与上游管对应的，所述的下游管的管径为φ750mm，下游管的长度等于其管径的5倍即3.75m。

为了满足多种口径的气体流量测量标准并对比，上游管和下游管的管径可在范围值内根据需求选取，除开本实施例中的优选方案，还有更多其他的优选值可采用。

所述的上游管、被检表、下游管和风机的过流通道口径相同，且均匀气流发生器、上游管、被检表、下游管和风机同轴连通。这样设置的好处是，可提高气流的稳定性，避免出现局部涡流，保证气流场的稳定性。

所述的传感器包括大气压力传感器、压差传感器、温度传感器和湿度传感器。传感器的作用是感应工况状态下的气流参数，并将参数信息以传感器信号的形式发送至检测控制装置，当被检表的检测参数与传感器信号探测的参数极为接近时，可判断被检表的精度较高；当被检表的检测参数与传感器信号探测的参数出入较大时，可判断被检表的精度不达标，并能够直接给出不达标的具体参数，可有针对性地进行调校。

所述的风机为轴流式风机，轴流式风机产生的气流流场轴向性好，更加稳定，有效避免粘滞力对气场造成的影响和破坏。

作为一种优选的方案，当所述的气流通道的通道壁按照伯努利双纽线收缩时，通道壁的走向符合方程式ρ²＝a²cos2θ，其中a＝0.65，θ＝0～45°。在实际方案中采取的是其中的一部分曲线，最终成型后气流通道呈现前端广口，后端收口的形状。这样设置的意义在于，可从上下、左右、前后等多个方向引流，将气流引入气流通道，形成稳定的流场。

该计算方程式的变形是：

当θ＝0时，ρ＝a；θ＝45°时，ρ＝0，它的曲率方程是：

由此可见，双纽线曲率变化平缓，θ＝45°时曲率等于零。在这一点，曲线可以平滑的过渡到直线。

为了更好地保证气流流场的稳定性，所述的上游管和下游管的管径上偏差为+0.03mm，下偏差为-0.03mm。

为了减小气流流场中的粘滞力，避免局部涡流的产生，所述的上游管和下游管的内管壁均经过抛光打磨，使内管壁的阻力系数小于0.06，在气流通过时产生的阻力小。

所述的检测控制装置包括计算机、显示器和打印机，所述的被检表、显示器和打印机分别连接到计算机。计算机用于对传感器信号进行接收和分析，以及对被检表进行检测并生产检测参数，显示器用于直观显示计算机的检测结果，打印机可用于打印检测结果。

在本发明中，所述的变频调速控制装置根据检测控制装置的检测结果，根据温度变化、大气压力变化、湿度变化等因素，进行PID调节(比例proportion、积分integral、微分differential)，调节转速给出准确的质量流量体量值。

在本发明中，所述的电机供电电路中还设置有安全保护和抗干扰设计。

上文对本实施例中的标准装置的组成结构和连接关系进行了说明和解释，现结合上文说明对该标准装置的具体工作效果进行说明。

原理上，本标准装置以拢流理论为指导，采用附面层流量计标方式进行计标；在将理论应用到实际时，采用的方案是，在上游管的前端连接均匀气流发生器，把来流变成均匀的气流输出，满足附面层流量计算的条件。

在管道中因为存在粘滞力，流场中就存在两个性质不同的流动区域，紧贴物体表面的一层薄面，流速低于U₀且做粘性流体的有旋运动，成为附面层。在附面层边沿以外，流体做理想流体的无旋运动，速度保持原有的势流速度，称为势流区。实际计算中，要确定附面层和势流区之间的界限是困难的，为此一般把速度等于0.99U₀处作为两区间的分界，U₀为未受粘性影响的速度。

附面层形成在流体管端头，大气吸入作为端头的来流，这种结构形式，成为平口式进气，大气从六个方向汇集到端头，涡流很多，其流出的系数的最大值为0.55，采用附面层原理要求流进端头为均匀气流，这就需要把大气来流转变成没有损耗的均匀气流，实现这个转变的方法是在端头前安装均匀气流发生器，把大气来流导成均匀气流流进端头使其流出系数大于0.97。

在风机的作用下，上游管、下游管中产生吸气流，在均匀气流发生器直管部分选择开孔位置即得流量信号。

本实施例中采用双纽线型的均匀气体发生器，可产生高质量的稳定风场，在该风场中测定的流量信号稳定、重复性好且精度高。均匀气体发生器的入口面积大，出口和上游管的截面积相同，整体呈收缩状，气流流动过程是一个不断收缩的过程，气流经过收缩后变成均匀气流，入口面积和出口面积之比称为收缩比，比值越大，气流的均匀度越高，一般来说，收缩比的值都大于4。

基于本实施例中的实施方案，下表给出了进行多组实际操作案例之后的实验数据：

上表中，带“·”的流量数据表示在25m/s时的流量值。

利用附面层原理计标φ1200标准装置的流量，具体信息如下表：

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种直接校正式大口径气体流量标准装置，其特征在于：包括单一标准表装置；所述单一标准表装置的口径范围为φ300mm-φ2000mm；所述单一标准表装置内气体流速≥40m/s；所述标准表装置的不确定度为0.3％-0.5％；所述标准表装置整体直接给出标准流量，所述标准流量≥2.4╳10⁵m³/h；所述标准流量通过如下公式进行计算：

其中，m_实表示标准流量，单位为kg/h；K_P表示压力校正系数；K_T表示温度校正系数；α表示仪表系数；ε表示膨胀系数，计算至小数点后9位以上；D表示标准表装置的口径，单位为m；ρ_a表示空气标准状况下密度，单位是kg/m³；Δh_H2O表示差压值，单位是mmH₂O；δ表示重力加速度且δ＝9.8m/s²；

所述的标准表包括均匀气流发生器(1)和溯源仪表(6)，所述均匀气流发生器能够提供均匀气流；均匀气流发生器的前端口为广口，后端口为圆形端口，前端口和后端口连通形成气流通道，气流通道的通道壁按照维辛斯基曲线或者伯努利双纽线曲线收缩；均匀气流发生器侧壁上设有取压口(101)，所述取压口能够提供相对于大气压的微差压信号，取压口连接溯源仪表；均匀气流发生器的后端口依次连通上游管(2)、被检表(3)、下游管(4)和风机(5)，所述被检表和溯源仪表均连接检测控制装置，检测控制装置(7)连接变频调速控制装置(8)，变频调速控制装置还与风机电连接并控制风机的转速。

2.根据权利要求1所述的直接校正式大口径气体流量标准装置，其特征在于：所述的上游管的管径为φ300mm～φ2000mm。

3.根据权利要求1所述的直接校正式大口径气体流量标准装置，其特征在于：所述的下游管的管径为φ300mm～φ2000mm，下游管的长度等于其管径的5倍。

4.根据权利要求1～3任一项所述的直接校正式大口径气体流量标准装置，其特征在于：所述的上游管、被检表、下游管和风机的过流通道口径相同，且均匀气流发生器、上游管、被检表、下游管和风机同轴连通。

5.根据权利要求1所述的直接校正式大口径气体流量标准装置，其特征在于：所述的溯源仪表包括大气压力传感器、压差传感器、温度传感器和湿度传感器。

6.根据权利要求1所述的直接校正式大口径气体流量标准装置，其特征在于：所述的风机为轴流式风机。

7.根据权利要求1所述的直接校正式大口径气体流量标准装置，其特征在于：所述的气流通道的通道壁按照伯努利双纽线收缩时，通道壁的走向符合方程式ρ²＝a²cos2θ，其中a＝0.65，θ＝0～45°。

8.根据权利要求1所述的直接校正式大口径气体流量标准装置，其特征在于：所述的上游管和下游管的管径上偏差为+0.03mm，下偏差为-0.03mm。

9.根据权利要求1所述的直接校正式大口径气体流量标准装置，其特征在于：所述的上游管和下游管的内管壁阻力系数小于0.06。

10.根据权利要求1所述的直接校正式大口径气体流量标准装置，其特征在于：所述的检测控制装置包括计算机、显示器和打印机，所述的被检表、显示器和打印机分别连接到计算机。