CN113607246B - 一种低温流量计的标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低温流量计的标定装置及方法，包括真空筒体和覆盖在真空筒体上端的法兰盘，所述真空筒体内储存有液氦形成液氦浴，液氦浴上方设置有至少一个换热器，液氦浴内串联有至少一个待测流量计，还包括处于真空筒体外侧的压缩机，所述压缩机的出口经过换热器与处于液氦浴内的待测流量计依次串联，然后再离开液氦浴经过换热器回到压缩机的入口，所述压缩机的回路内填充有氦气，靠近压缩机入口的管道上设置有处于真空筒体外侧的标准流量计。本发明的优点在于：为待测流量计提供液氦温区环境，比较标准流量计和待测流量计的数值实现待测流量计的标定，能够同时对多个待测流量计分别进行标定，效率高，标定结果准确。

Description

一种低温流量计的标定装置及方法

技术领域

本发明涉及低温流量计技术领域，尤其涉及一种低温流量计的标定装置及方法。

背景技术

低温技术在超导、航空航天和医疗等领域的应用越来越广泛，流量作为低温制冷***流程设计与控制中最重要的参量之一，关系到整个***的安全高效稳定运行，同时也是***性能分析和优化的重要依据。而目前低温流量计，特别是液氦温区流量计的精度尚且不能满足***需求。

从上世纪八十年代开始，国外许多研究机构、计量仪表公司开始研究低温流量计，并搭建能够测试各类流量计的标定平台。近些年国内对低温下流量测量方面的研究不断发展，如浙江大学对多孔板流量计的优化，中国科学院等离子体物理研究所对液氮温区文丘里流量计的研究。但国内对于低温下流量计的标定研究大部分是基于常温状态下的实验而来，如公开号为CN108593054A的发明专利申请公开的低温流量计的标定方法；也有少部分是在液氮温区进行标定，而尚未有在液氦温区流动状况下的标定，因此搭建能够在液氦温区测试标定各类流量计的实验平台具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够在低温流动状态下标定低温流量计的装置及标定方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种低温流量计的标定装置，包括真空筒体和覆盖在真空筒体上端的法兰盘，所述真空筒体内储存有液氦形成液氦浴，液氦浴上方设置有至少一个换热器，液氦浴内串联有至少一个待测流量计，还包括处于真空筒体外侧的压缩机，所述压缩机的出口经过换热器与处于液氦浴内的待测流量计依次串联，然后离开液氦浴经过换热器回到压缩机的入口，所述压缩机的回路内填充有氦气，靠近压缩机入口的管道上设置有处于真空筒体外侧的标准流量计。

本发明通过液氦对待测的低温流量计和流质氦气进行冷却，为待测流量计提供液氦温区环境，通过标准流量计测得的数值作为实际值，通过比较标准流量计和待测流量计的数值实现待测流量计的标定，并且通过该标定装置，能够同时对多个待测流量计分别进行标定，效率高，标定结果准确，通过换热器使经过待测流量计后流出的中压路氦气将冷量传递给高压路氦气，降低对液氦温度的影响，减少液氦的蒸发量。

优选的，所述真空筒体内还设置有处于液氦浴内的冷却盘管，氦气管道经过冷却盘管后进入待测流量计；

所述标准量流量计为科里奥利式质量流量计。

优选的，所述压缩机的进出口位置分别设置有第一阀门和第三阀门，所述第一阀门和第三阀门均为背压阀；

所述压缩机进入低温筒体之前的氦气管道上还设置有第二阀门，所述第二阀门为流量调节阀。

优选的，还包括真空机组、液氦杜瓦和气袋。

所述真空机组分别通过第四阀门和第五阀门与真空筒体和氦气管道连通；所述液氦杜瓦通过第六阀门与真空筒体连接；所述气袋通过第七阀门与真空筒体连接，所述真空筒体内设置有液位传感器。

优选的，每个所述待测流量计上分别设置有差压变送器和/或在待测流量计两端分别设置有压力变送器；至少在第一个待测流量计之前设置有检测氦气温度的温度传感器。

优选的，所述法兰盘与真空筒体之间还固定有至少一个防辐射板。

优选的，所述换热器包括一级套管换热器和二级套管换热器，所述压缩机驱动氦气依次经过一级套管换热器和二级套管换热器后进入液氦浴内，流过待测流量计后再依次经过二级套管换热器和一级套管换热器回到压缩机内；

所述一级套管换热器的内管尺寸为0.01m×0.001m，外管尺寸为0.022m×0.002m，长度为103m，所述二级套管换热器的内管尺寸为0.007m×0.0005m，外管尺寸为0.01m×0.001m，长度17m；一级套管换热器和二级套管换热器的内管回气，外管进气；

所述冷却盘管的管径为0.007m，壁厚为0.0005m，长度3.18米。

本发明还提供使用所述的低温流量计标定装置的低温流量计的标定方法，包括，

S1：对真空筒体和氦气管道进行抽真空处理，并对氦气管道重新充入氦气；

S2：将储存有液氦的液氦杜瓦和气袋分别与真空筒体连接；

S3：调整压缩机及氦气管道的阀门状态，在氦气管道压力达到预设值时，保持当前状态；

S4：记录标准流量计和待测流量计的压力数值，以及氦气流过待测流量计的压差；

S5：调整氦气管道的流量，使压力以预设的变化量进行调整，重复S4，直到达到预设的流量上限，关闭标定装置；

S6：计算待测流量计的流出系数。

优选的，所述关闭标定装置的步骤包括，

步骤A：关闭液氦杜瓦，停止向真空筒体供液；

步骤B：由出到进的顺序依次关闭氦气管道上的阀门，最后关闭压缩机；

步骤C：开启真空筒体上的抽真空阀门，将真空筒体内的压力释放出去，泄压过程中，需保持真空筒体内压力高于1.1bar；

步骤D：10小时后，断开气袋与真空筒体的连接。

优选的，所述计算待测流量计的流出系数的方法为：

所述待测流量计为文丘里管流量计，以标准流量计的测量值q_mi作为待测流量计的实际值，待测流量计的测量值为q′_mi，表达式为

其中，i表示第i次测量的数据，C表示流出系数，表示实际流量与理论流量的比值；D为文丘里管扩张段的内径，β为文丘里管的喉径比，表示收缩段直径d与扩张段内径D的比值；ρ为氦气密度、Δp_i为待测流量计的压差；

标准流量计和待测流量计的误差函数表示为：

函数f存在最小值，将公式(1)带入公式(2)，对函数f关于变量C求偏导

令

则流出系数C的最佳估计值为

本发明提供的低温流量计的标定装置即方法的优点在于：通过液氦对待测的低温流量计和流质氦气进行冷却，为待测流量计提供液氦温区环境，通过标准流量计的数值作为实际值，比较标准流量计和待测流量计的数值实现待测流量计的标定，并且通过该标定装置，能够同时对多个待测流量计分别进行标定，效率高，标定结果准确，通过换热器使经过待测流量计后流出的中压路氦气将冷量传递给高压路氦气，降低对液氦温度的影响，减少液氦的蒸发量。通过两个套管换热器降低热量损失，提高换热效率；通过液氦杜瓦和气袋控制真空筒体内的液氦用量并及时储存蒸发的氦气，在法兰盘与真空筒体之间设置防辐射板，降低辐射传热，减少热量损失。

附图说明

图1为本发明的实施例提供的低温流量计的标定装置示意图；

图2为本发明的实施例提供的低温流量计的标定装置所标定的文丘里管流量计的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供了一种低温流量计的标定装置，在液氦对应的低温温区计算标定流量计的流出系数，从而实现流量计测量数值到实际数值的转换，具体的，包括真空筒体1和覆盖在真空筒体1上端的法兰盘2，所述真空筒体1内储存有液氦形成液氦浴，液氦浴上方设置有至少一个换热器，液氦浴内设置有至少一个待测流量计3，所述真空筒体1外侧还设置有压缩机4，所述压缩机4的出口经过换热器与处于液氦浴内的至少一个待测流量计3依次串联，然后再离开液氦浴经过换热器回到压缩机4的入口，所述压缩机4的回路内填充有氦气，靠近压缩机4入口的管道上设置有处于真空筒体1外侧的标准流量计5。

本实施例通过液氦对待测的低温流量计和流质氦气进行冷却，为待测流量计3提供液氦温区环境，通过标准流量计5测量的数值作为实际值，通过比较标准流量计5和待测流量计3的数值实现待测流量计3的标定，并且通过该标定装置，能够同时对多个待测流量计3分别进行标定，效率高，标定结果准确，通过换热器使经过待测流量计3后流出的中压路氦气将冷量传递给高压路氦气，降低对液氦温度的影响，减少液氦的蒸发量。基于本实施例提供的标定装置，如果需要在其他低温区间进行低温流量计的标定，则可以使用对应温区的低温介质取代液氦和氦气进行试验。

所述待测流量计3上分别设置有差压变送器31和/或在待测流量计3前后两端分别设置有压力变送器32，从而能够直接测量或计算得到流过待测流量计3后的压力变化值，从而获取每个待测流量计3对应的压差，通过一次试验即可标定多个待测流量计3。在第一个待测流量计3之前还设置有检测氦气温度的温度传感器33，从而能够检测氦气温度，在氦气降温至要求的实验范围内后再开始实验。所述待测流量计3为文丘里管流量计，标准流量计5为科里奥利式质量流量计。

所述真空筒体1内还设置有处于液氦浴内的冷却盘管14，氦气管道经过冷却盘管14换热后再进入待测流量计3，从而能够充分冷却氦气；所述冷却盘管14的管径为0.007m，壁厚为0.0005m，长度3.18米。

本实施例中，所述真空筒体1内设置有一级套管换热器11和二级套管换热器12，所述压缩机4驱动氦气依次经过一级套管换热器11和二级套管换热器12后进入液氦浴内，流过待测流量计3后再依次经过二级套管换热器12和一级套管换热器11回到压缩机4内。

所述一级套管换热器11的内管尺寸为0.01m×0.001m，外管尺寸为0.022m×0.002m，长度为103m，所述二级套管换热器12的内管尺寸为0.007m×0.0005m，外管尺寸为0.01m×0.001m，长度17m；一级套管换热器11和二级套管换热器12均设置为内管回气，外管进气，从而提高氦气的冷却和回温速度。一级套管换热器11和二级套管换热器12均使用紫铜材料。氦气经过一级套管换热器11和二级套管换热器12后，冷却至6K左右，再通过浸没在液氦浴中的冷却盘管14冷却至4.5K左右，即可开始实验。

为了防止真空筒体1内的温度流失，所述法兰盘2与真空筒体1之间还固定有至少一个防辐射板(图未示)，具体的，所述防辐射板通过螺栓等固定方式固定在法兰盘2的放下，然后法兰盘2与防辐射板整体盖在真空筒体1上方并进行固定，由此隔绝液氦与法兰盘2进行辐射换热。

所述压缩机4的管路连接方式如下：在压缩机4的出口位置设置有第一阀门41，进口位置设置有第三阀门43，所述第一阀门41和第三阀门43均为背压阀，能够调整管道压力，压缩机4的氦气管道在进入低温筒体1之前还设置有第二阀门42，所述第二阀门42为流量调节阀，主要通过第二调节阀42调整氦气管道的压力情况，以满足实验要求。之后氦气进入一级套管换热器11和二级套管换热器12的外管，然后进入液氦浴内，通过所述冷却盘管14冷却至液氦温区后，氦气依次流过多个串联的待测流量计3，然后再依次经过二级套管换热器12和一级套管换热器11的内管，离开真空筒体1后，氦气经过标准流量计5检测后，通过第三阀门43回到压缩机4。其中，在冷却盘管14与第一次待测流量计3之间设置有温度传感器33，在此处检测到的氦气温度满足实验要求后，后续在液氦浴中，氦气温度不会出现超出实验要求的变化。

本实施例中示出了两个串联的待测流量计3，其中第一个待测流量计3连接有差压变送器31，测量氦气的压力变化情况，第二个待测流量计3两端分别连接有一个压力变送器32，并同时连接有差压变送器31，从而通过不同检测方式机芯重复验证。

进一步的，为了在实验中保持液氦总量的稳定，保证实验结果，所述真空筒体1还连接有液氦杜瓦6、真空机组7和气袋8；所述真空机组7分别通过第四阀门71和第五阀门72连接真空筒体1和压缩机4的氦气管道，所述液氦杜瓦6通过第六阀门61与真空筒体1连接，所述气袋8通过第七阀门81余真空筒体1连接，所述真空筒体1内还设置有液位传感器13。在进行实验前，首先通过真空机组7抽真空确保真空筒体1和压缩机4的氦气管道内不存在其他气体，在实验过程中，通过液位传感器13检测液氦高度，及时控制液氦杜瓦6补充液氦，在使用过程中，随着液体流向真空筒体1，液氦杜瓦6内的压力逐渐降低，压力过低时将导致液氦杜瓦6无法输液；优选实施例中，还设置有与液氦杜瓦6连接的氦气钢瓶62，通过氦气钢瓶62向液氦杜瓦6内增压以确保能够正常输液，液氦杜瓦6与氦气钢瓶62的连接管道上设置有增压阀63。

其中液位传感器13可以设置为始终保持在一个固定高度，或者设置液位的上下限，在液氦浴达到液位下限值时，通过液氦杜瓦6补液，在液氦浴达到液位上限时，停止补液；液氦蒸发后的氦气进入气袋8中储存。本实施例中所述液位传感器13选择超导液位计。

本实施例提供的低温流量计的标定装置的标定方法如下：

S1：对真空筒体1和氦气管道进行抽真空处理，并对氦气管道新充入氦气；

具体的，打开第四阀门71和第五阀门72，通过真空机组7抽真空，在对氦气管道进行抽真空时，需要重复冲入氦气进行气体置换，最终真空度应达到10^-3Pa。

S2：将储存有液氦的液氦杜瓦6和气袋8分别与真空筒体1连接；在实验中应保持第六阀门61和第七阀门81位开启状态，通过液位传感器13的检测结果控制液氦杜瓦6启动将液氦送入真空筒体1内。

S3：调整压缩机4及氦气管道的阀门状态，在氦气管道压力达到预设值时，保持当前状态；

具体的，开启压缩机4，完全打开第三阀门43，第一阀门41打开30％，然后缓慢打开第二法门42，同时观察氦气管道内的压力值，达到3bar时，保持流量稳定，开始实验；

S4：记录标准流量计5和待测流量计3的压力数值，以及氦气流过待测流量计3的压差；

S5：调整氦气管道的流量，使压力以预设的变化量进行调整，重复S4，直到达到预设的流量上限，关闭标定装置；

本实施例中，以0.1bar的压力间隔调整氦气管道，重复实验，最终在流量达到15g/s时，记录最后一组数据，完成实验。

S6：计算待测流量计3的流出系数。

计算所述待测流量计3的流出系数的方法为：

参考图2，所述低温流量计3为文丘里管流量计，以标准流量计的测量值q_mi作为待测流量计3的实际值，待测流量计3的测量值为q′_mi，表达式为

其中，i表示第i次测量的数据，C表示流出系数，表示实际流量与测量流量的比值；D为文丘里管扩张段的内径，β为文丘里管的喉径比，表示收缩段直径d与扩张段内径D的比值；ρ为氦气密度、Δp_i为待测流量计的压差，在使用文丘里管流量计的情况下，压差应为文丘里管扩张段液压与收缩段液压的差值；

标准流量计和待测流量计的误差函数表示为：

函数f存在最小值，将公式(1)带入公式(2)，对函数f关于变量C求偏导

令

则流出系数C的最佳估计值为

由此仅通过文丘里管流量计自身的参数以及标准流量计5的数值和氦气流过待测流量计3的压差，即可确定待测流量计3的流出系数C。

进一步的，在实验完成后，关闭标定装置的过程即清理理实验设备的过程，包括，

步骤A：关闭液氦杜瓦6及第六阀门61，停止向真空筒体1供液；

步骤B：由出到进的顺序依次关闭氦气管道上的阀门，最后关闭压缩机4；

步骤C：开启真空筒体1上的抽真空阀门，即第四阀门71，将真空筒体1内的压力释放出去，泄压过程中，需保持真空筒体内压力高于1.1bar；

具体的，在泄压时，先控制真空筒体内压力达到1.2bar，关闭第四阀门71，等待真空筒体1回温，真空筒体1内部的压力升高时再次进行泄压，如此重复泄压，以提高真空筒体1排气的速度，为防止空气回流，需保持真空筒体1内的压力在1.1bar以上。

步骤D：10小时后，断开气袋8与真空筒体1的连接，关闭实验设备的电源即可。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种低温流量计的标定装置，其特征在于：包括真空筒体和覆盖在真空筒体上端的法兰盘，所述真空筒体内储存有液氦形成液氦浴，液氦浴上方设置有至少一个换热器，液氦浴内串联有至少一个待测流量计，还包括处于真空筒体外侧的压缩机，所述压缩机的出口经过换热器与处于液氦浴内的待测流量计依次串联，然后再离开液氦浴经过换热器回到压缩机的入口，所述压缩机的回路内填充有氦气，靠近压缩机入口的管道上设置有处于真空筒体外侧的标准流量计。

2.根据权利要求1所述的一种低温流量计的标定装置，其特征在于：所述真空筒体内还设置有处于液氦浴内的冷却盘管，氦气管道经过冷却盘管后进入待测流量计；

所述标准量流量计为科里奥利式质量流量计。

3.根据权利要求1所述的一种低温流量计的标定装置，其特征在于：所述压缩机的进出口位置分别设置有第一阀门和第三阀门，所述第一阀门和第三阀门均为背压阀；

所述压缩机进入低温筒体之前的氦气管道上还设置有第二阀门，所述第二阀门为流量调节阀。

4.根据权利要求1所述的一种低温流量计的标定装置，其特征在于：还包括真空机组、液氦杜瓦和气袋，

所述真空机组分别通过第四阀门和第五阀门与真空筒体和氦气管道连通；所述液氦杜瓦通过第六阀门与真空筒体连接；所述气袋通过第七阀门与真空筒体连接，所述真空筒体内设置有液位传感器。

5.根据权利要求1所述的一种低温流量计的标定装置，其特征在于：每个所述待测流量计上分别设置有差压变送器和/或在待测流量计两端分别设置有压力变送器；至少在第一个待测流量计之前设置有检测氦气温度的温度传感器。

6.根据权利要求1所述的一种低温流量计的标定装置，其特征在于：所述法兰盘与真空筒体之间还固定有至少一个防辐射板。

7.根据权利要求2所述的一种低温流量计的标定装置，其特征在于：所述换热器包括一级套管换热器和二级套管换热器，所述压缩机驱动氦气依次经过一级套管换热器和二级套管换热器后进入液氦浴内，流过待测流量计后再依次经过二级套管换热器和一级套管换热器回到压缩机内；

所述一级套管换热器的内管尺寸为0.01m×0.001m，外管尺寸为0.022m×0.002m，长度为103m，所述二级套管换热器的内管尺寸为0.007m×0.0005m，外管尺寸为0.01m×0.001m，长度17m；一级套管换热器和二级套管换热器的内管回气，外管进气；

所述冷却盘管的管径为0.007m，壁厚为0.0005m，长度3.18米。

8.使用权利要求1-7任一项所述的低温流量计标定装置的低温流量计的标定方法，其特征在于：包括，

S1：对真空筒体和氦气管道进行抽真空处理，并对氦气管道重新充入氦气；

S2：将储存有液氦的液氦杜瓦和气袋分别与真空筒体连接；

S3：调整压缩机及氦气管道的阀门状态，在氦气管道压力达到预设值时，保持当前状态；

S4：记录标准流量计和待测流量计的压力数值，以及氦气流过待测流量计的压差；

S5：调整氦气管道的流量，使压力以预设的变化量进行调整，重复S4，直到达到预设的流量上限，关闭标定装置；

S6：计算待测流量计的流出系数。

9.根据权利要求8所述的一种低温流量计的标定方法，其特征在于：所述关闭标定装置的步骤包括，

步骤A：关闭液氦杜瓦，停止向真空筒体供液；

步骤B：由出到进的顺序依次关闭氦气管道上的阀门，最后关闭压缩机；

步骤C：开启真空筒体上的抽真空阀门，将真空筒体内的压力释放出去，泄压过程中，需保持真空筒体内压力高于1.1bar；

步骤D：10小时后，断开气袋与真空筒体的连接。

10.根据权利要求8所述的一种低温流量计的标定方法，其特征在于：所述计算待测流量计的流出系数的方法为：

所述待测流量计为文丘里管流量计，以标准流量计的测量值q_mi作为待测流量计的实际值，待测流量计的测量值为q^′ _mi，表达式为

其中，i表示第i次测量的数据，C表示流出系数，表示实际流量与测量流量的比值；D为文丘里管扩张段的内径，β为文丘里管的喉径比，表示收缩段直径d与扩张段内径D的比值；ρ为氦气密度、Δp_i为待测流量计的压差；

标准流量计和待测流量计的误差函数表示为：

函数f存在最小值，将公式(1)带入公式(2)，对函数f关于变量C求偏导

令

则流出系数C的最佳估计值为

。

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