摘 要 國防科技工業(yè) 4113 二級計量站擁有國內(nèi)較大的鐘罩式氣體流量標準裝置，有效容積 20000L。多年來，裝置為我國國防科技工業(yè)及民用領(lǐng)域提供了大量較好的氣體大流量計量服務(wù)，裝置穩(wěn)定可靠，運行狀態(tài)良好，但仍然無法滿足更大氣體流量的計量需求。因此我站于 2017 年對裝置進行了升級改造，在原有基礎(chǔ)上新增標準表及大型風機氣源系統(tǒng)，并對高壓反充系統(tǒng)進行升級改造。重點介紹氣源系統(tǒng)的設(shè)計及改造方案。

0 引言

國防科技工業(yè) 4113 二級計量站(以下簡稱“計量站”)作為國防科技工業(yè)特殊需求的大流量專業(yè)計量站，擁有多套國防軍工特色顯著的計量標準裝置，實驗介質(zhì)涵蓋航空三大油品(燃油、液壓油、潤滑油)及氣體等。其中 20000L 鐘罩式氣體流量標準裝置為國內(nèi)較大，廣泛用于國防科技工業(yè)氣體大流量的量傳，同時也為民用計量領(lǐng)域提供了大量的較好計量服務(wù)，廣受好評。

鐘罩式氣體流量標準裝置因其良好的綜合性能，被各級計量機構(gòu)作為氣體流量較高標準廣泛使用，但由于結(jié)構(gòu)原理所限，其工作過程為往復(fù)式(非連續(xù))，工作效率低。較大流量受鐘罩的標準容積所限，現(xiàn)實中很難建造出超大型鐘罩。計量站20000L 大型鐘罩屬目前國內(nèi)同類裝置較大，而其鐘內(nèi)壓僅能達到 9500Pa，主管路為 DN300(局部擴充達到 DN600)，裝置持續(xù)穩(wěn)定流量5000m 3 /h(較大瞬時流量約 7000m 3 /h)，仍難以完全滿足大口徑、大流量、慢響應(yīng)(部分類型氣體流量儀表響應(yīng)時間 60s 以上)及高壓損流量儀表的實驗要求。

鑒于以上不足，計量站于 2017 年對原裝置的氣源、管路及測控系統(tǒng)等進行全面升級改造，改造后應(yīng)用效果良好。

1 改造方案與具體實施

1. 1 整體改造方案

此次改造主要是在原有鐘罩的基礎(chǔ)上新增標準表系統(tǒng)，通過標準表的并聯(lián)實現(xiàn)裝置流量上限的拓展;通過對高壓反充系統(tǒng)的提升改造，提高反充實驗壓力和流量的可控性和穩(wěn)定性。改造原理圖如圖 1 所示。

圖中粗實線部分為原有部分，細實線為新增和改造部分。主要改造內(nèi)容和方案如下:在原有鐘罩原理的基礎(chǔ)上新增標準表法工作原理，當采用標準表法測量原理時，通過閥門將鐘罩系統(tǒng)與實驗管路切斷即可，然后啟動風機氣源系統(tǒng)，空氣被壓縮后依次經(jīng)過實驗管路、被檢流量計、標準流量計，較后排空。在檢定過程中，氣體在相同時間間隔內(nèi)連續(xù)通過標準表和被檢流量計組，通過實時比較兩者輸出的流量值，得到被檢流量計示值誤差等性能參數(shù)。實驗過程中依靠流量調(diào)節(jié)閥和變頻系統(tǒng)調(diào)節(jié)流量，測控系統(tǒng)采集標準流量和被檢流量計信號并進行數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出。具體改造措施如下:

1. 2 大型氣源及流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計與實施

集成、安裝高壓離心風機作為持續(xù)穩(wěn)定流量源。裝置主管路采用總長約 30m 的 DN300 不銹鋼加工而成，按較大流量 12000m 3 /h 設(shè)計計算，主管路空氣流速由下式計算:

系統(tǒng)中主要局部壓力損失包括:5 個蝶閥(全開狀態(tài)單個阻力系數(shù)約為 0. 2);5 個 90°彎頭(單個阻力系數(shù)為 0. 3);3 個 90° 三通(單個阻力系數(shù)為0. 18);1 個標準渦街流量計(阻力系數(shù)約為 2. 2);被檢流量計按照 1 個渦街流量計估算(阻力系數(shù)約為 2. 2)。系統(tǒng)局部壓力損失由下式計算:

式中:Δp p 為系統(tǒng)總局部壓力損失，Pa;ζ i為各局部阻力件阻力系數(shù);v i 為局部阻力件處的流速，m/s。從上述計算數(shù)據(jù)可以看出:系統(tǒng)主要壓力損失來源于局部阻力件，尤其是在管道內(nèi)部存在阻流件的零件。因此，減少或改進閥門等局部阻流件能提升裝置流量和效能。系統(tǒng)總壓力損失 Δp 計算如下:

考慮到其它阻力因素和計算誤差，近似取系統(tǒng)總壓力損失為 13000Pa。實際選用額定功率為75kW 的 9-12/8D 型高壓離心風機，其性能參數(shù)如表 1 所示。

安裝 DN300 渦街流量計后實測，系統(tǒng)較大流量達到 12000m 3 /h，較大壓力約 15000Pa，對照該型風機理論參數(shù)，與該計算結(jié)果有很好的一致性，驗證了設(shè)計計算和選型的有效性。此外，高壓離心風機可以作為鐘罩提升的應(yīng)急氣源，當工廠壓縮空氣(提升鐘罩用)無法正常供應(yīng)時依然能保證裝置正常運行。

大流量的精準調(diào)節(jié):裝置采用變頻結(jié)合閥門調(diào)節(jié)實現(xiàn)裝置大流量的精準調(diào)節(jié)。其中，變頻系統(tǒng)75kW 較好變頻器作為核心集成定制變頻柜一套。經(jīng)試用變頻器對原有裝置及儀表無明顯干擾，頻率調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性達到 0. 05Hz，風機較低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速達到 10Hz，調(diào)節(jié)效果良好。此外變頻調(diào)節(jié)的穩(wěn)頻、節(jié)能、減震和降噪效果顯著。主調(diào)節(jié)閥采用 DN300渦輪蝸桿蝶閥，配合變頻系統(tǒng)使用，實際調(diào)節(jié)效果良好。

1. 3 標準流量計系統(tǒng)配置和使用

采用同口徑流量儀表中流量上限較高的渦街流量計作為標準表，便于裝置流量上限的拓展。具體采用 LUGB 型 DN100、DN150、DN200、DN250 及DN300 等口徑應(yīng)力式渦街流量計，精度等級1. 0 級。通過匯流管路能夠?qū)崿F(xiàn)渦街流量計并聯(lián)使用，并聯(lián)使用可以滿足 10000m 3 /h 的流量需求。大鐘罩可以對標準流量計進行原位校準，保證其準確性和可靠性。通過控制標準流量計后截止閥的開閉實現(xiàn)標準流量計的選擇，標準流量計可以單獨或并聯(lián)使用，并聯(lián)使用不影響系統(tǒng)準確度等級。標準流量計可以根據(jù)檢定結(jié)果確定采用定點使用、較小二乘法或折線插值法，線性度好的流量計適用后兩種方法。另外，標準流量計處于管路系統(tǒng)末端，能保證標準流量計的被檢定狀態(tài)和使用狀態(tài)一致，較大限度保障標準流量計的復(fù)現(xiàn)性能。裝置配置 XMFL-7型多路流量積算儀實現(xiàn)時間和脈沖的同步采集，采用脈沖插入技術(shù)，可以測出流量計脈沖的小數(shù)值，顯著提升脈沖信號采集的準確度。如果被校準流量儀表為脈沖信號輸出，校準目的是為了確定被校準流量儀表的儀表系數(shù)則按照下式進行計算:

渦輪蝸桿蝶閥，配合變頻系統(tǒng)使用，實際調(diào)節(jié)效果良好。

1. 3 標準流量計系統(tǒng)配置和使用

采用同口徑流量儀表中流量上限較高的渦街流量計作為標準表，便于裝置流量上限的拓展。具體采用 LUGB 型 DN100、DN150、DN200、DN250 及DN300 等口徑應(yīng)力式渦街流量計，精度等級1. 0 級。通過匯流管路能夠?qū)崿F(xiàn)渦街流量計并聯(lián)使用，并聯(lián)使用可以滿足 10000m 3 /h 的流量需求。大鐘罩可以對標準流量計進行原位校準，保證其準確性和可靠性。通過控制標準流量計后截止閥的開閉實現(xiàn)標準流量計的選擇，標準流量計可以單獨或并聯(lián)使用，并聯(lián)使用不影響系統(tǒng)準確度等級。標準流量計可以根據(jù)檢定結(jié)果確定采用定點使用、較小二乘法或折線插值法，線性度好的流量計適用后兩種方法。另外，標準流量計處于管路系統(tǒng)末端，能保證標準流量計的被檢定狀態(tài)和使用狀態(tài)一致，較大限度保障標準流量計的復(fù)現(xiàn)性能。裝置配置 XMFL-7型多路流量積算儀實現(xiàn)時間和脈沖的同步采集，采用脈沖插入技術(shù)，可以測出流量計脈沖的小數(shù)值，顯著提升脈沖信號采集的準確度。

如果被校準流量儀表為脈沖信號輸出，校準目的是為了確定被校準流量儀表的儀表系數(shù)則按照下式進行計算:

式中:K t 為被校準流量計儀表系數(shù)，1/L;K s為

標準流量計的儀表系數(shù)，1/L;N t 為被校準流量計輸出的脈沖數(shù);N s 為標準流量計輸出的脈沖數(shù);p t 為被校準流量計的壓力，Pa;p s 為標準流量計的壓力，Pa;T t 為被校準流量計的溫度，K;T s 為標準流量計的溫度，K。

1. 4 標準表法測控系統(tǒng)研發(fā)

編制測控軟件一套，實現(xiàn)標準表法壓力、溫度、時間、脈沖、頻率等參數(shù)的自動采集和數(shù)據(jù)處理。通過測控系統(tǒng)實現(xiàn)標準流量計的選擇，標準流量計可以單獨或并聯(lián)使用，并聯(lián)使用不影響系統(tǒng)準確度等級。測控系統(tǒng)操作界面如圖 3 所示。

1. 5 高壓反充系統(tǒng)提升改造

針對高壓損氣體流量儀表，如科式力質(zhì)量流量計及容積式流量計等的實驗要求，對裝置高壓反充系統(tǒng)進行了升級改造。具體采用兩個串聯(lián)的 15m 3中壓罐作為反充氣源的穩(wěn)壓緩沖容器，在反充氣源上設(shè)置口徑為 DN200 的 Y43H-16Q 型活塞式減壓穩(wěn)壓閥，屬于先導(dǎo)式減壓閥，便于直接手動調(diào)節(jié)閥后壓力。用于被檢流量計入口處壓力的調(diào)節(jié)與穩(wěn)定。

經(jīng)過實際測試驗證，系統(tǒng)反充壓力可以實現(xiàn)0 ～0. 7MPa 的連續(xù)可調(diào)。在 6000m 3 /h 的反充流量下，表前壓力可穩(wěn)定在 0. 2MPa。采用 DN50 口徑科式力質(zhì)量流量計進行反充測試，較大穩(wěn)定流量達到4000m 3 /h 以上。較之前采用鐘罩正充實驗的較大流量提升 3 倍以上，改造后應(yīng)用效果良好。

1. 6 實驗環(huán)境控制及人員防護

通過在風機底部安裝減震底座，在風機出口安裝柔性減震接頭，在風機入口安裝消聲器等技術(shù)手段，使風機部位產(chǎn)生噪音和振動得到有效控制，較大噪聲控制在 110dB 以下。對裝置管道出口系統(tǒng)進行改造，新增 DN200 室外排氣系統(tǒng)，將出口部分高速氣流減速、降噪后排至室外，進一步減少了實驗室內(nèi)的噪聲。實驗人員通過佩戴耳塞和隔音耳罩防護效果良好。由于高壓離心風機高速運轉(zhuǎn)會使室溫快速升高，通過對氣體實驗室通風系統(tǒng)的改造，提升實驗室通風換氣效率和實驗室環(huán)境溫度的均勻性。

1. 7 不確定度評估

采用定點儀表系數(shù)法時，標準表法系統(tǒng)的不確定度分量主要包括:檢定標準表裝置、標準表重復(fù)性、壓力及溫度測量不確定度。檢定標準表裝置是我站鐘罩裝置，不確定度為 0. 2%(k =2)，靈敏系數(shù)為 －1;經(jīng)檢定該型標準表重復(fù)性普遍優(yōu)于 0. 1%，靈敏系數(shù)為 1;設(shè)壓力測量誤差為 0. 1%，矩形分布，不確定度約為 0. 06%，靈敏系數(shù)為 1;設(shè)溫度測量誤差為 0. 2℃，氣溫 20℃，按矩形分布，不確定度約為0. 04%，靈敏系數(shù)為 1。則標準表法系統(tǒng)的合成標準不確定度如下式所示:

式中:u rB (q s )為標準裝置的不確定度，即鐘罩裝置的不確定度，u rB (q s ) =0. 2%(k =2);u rA (q i ) max為定點使用時標準流量計各流量點不確定度的較大值，即標準流量計的重復(fù)性，約為 0. 1%;u T 為溫度測量不確定度;u P 為壓力測量不確定度。標準表法合成標準不確定度 u c (q) = 0. 24%，擴展不確定度 U = 0. 48% (k = 2)。根據(jù)估算，采用定點使用法時標準表法系統(tǒng)具有較小的不確定度，能夠滿足 1. 0 級以下氣體流量儀表的校準要求。

2 結(jié)論與展望

此次改造在不影響原裝置性能指標的情況下，通過新增次級標準和大型氣源系統(tǒng)，顯著提升了裝置氣體流量上限。此次升級改造經(jīng)費由企業(yè)自籌，受成本所限，標準流量計選用的是渦街流量計，而非昂貴的進口高精度氣體渦輪流量計，相對而言存在儀表系數(shù)小(造成標準信號采集效率低)、精度較低等不足，但可以通過改進實驗方法和數(shù)據(jù)處理方式予以彌補。由于采用國內(nèi)較大鐘罩式氣體流量標準裝置對標準流量計實現(xiàn)了原位校準，因此能保障實驗數(shù)據(jù)的準確可靠。此次改造也為本裝置進一步提升拓展積累了經(jīng)驗。