气体大流量标准装置

刘忠奎;何乃库;张羽鹏

【摘 要】针对气体大流量校准的研究现状和航空发动机产业的需求,研制了气体大流量标准装置.介绍了该装置的总体设计方案、主要组成部分和工作原理,总结归纳了该装置的技术创新点.该装置通过引用双罐称量模式、电磁力平衡技术和切换阀压力动态监测手段提高了气体大流量校准的准确度. 【期刊名称】《上海计量测试》 【年(卷),期】2017(044)002 【总页数】4页(P5-8)

【关键词】气体;大流量;流量校准;标准装置 【作 者】刘忠奎;何乃库;张羽鹏

【作者单位】中国航发沈阳发动机研究所;中国航发沈阳发动机研究所;中国航发沈阳发动机研究所 【正文语种】中 文

流量是指单位时间内通过特定表面流体的量（体积或质量）。若单以体积表示流体的量，其流量称之为“体积流量”，用Q表示[1][2]。流量校准是实现流量准确测量的保障，与国民经济、国防建设、科学研究密切相关，且遍布于工农业生产、国防建设、科学研究、对外贸易以及人民生活各个领域[3][4]。在航空发动机研制中，气体流量是重要的测量参数，是评定发动机性能的重要依据之一。为保证气体流量的测量准确度，必须对流量测量设备进行校准。

为满足航空发动机的研制需求，设计研制了气体大流量标准装置。

气体大流量标准装置由电磁天平、称量罐、快速切换阀、滞止容器、音速喷嘴组、检定管线、进/排气管线及测控系统等组成，如图1所示。该装置以压缩空气为工作介质，包括一次标准和二次标准。一次标准采用质量-时间法，二次标准采用标准表法。

一次标准装置可以连接1MPa和4MPa气源，满足0.8～4MPa的工作压力。电磁天平和称量罐置于单独房间，以满足天平和称量罐对环境条件的要求。受厂房面积限制，二次标准装置采用三条固定管线，DN200mm以下小口径采用转轮方式更换管线，DN200mm以上可直接更换备用管线。考虑到气源流量和管线口径，最大管线设计为DN600mm，可开展DN600mm，DN400mm，DN350mm，DN300mm， DN250mm，DN200mm及以下各种流量计的校准。1MPa气源通过DN400管线与装置连接，最大流量为40kg/s，通过调压后可流经除湿系统或直接进入稳压罐。稳压后的气源供给二次标准的滞止容器。

气体大流量标准装置由气体称量装置、快速切换阀、音速喷嘴组和检定管线4个主要分系统组成。 2.1 气体称量装置

气体称量装置包括电磁天平、称量罐及称量罐移动辅助系统。电磁天平用于称量流过被校准流量计充入称量罐的气体质量，是实现一次标准的关键设备之一。 气体称量装置的设计充分考虑了天平的准确度，以及称量罐和充气管线的接口问题，采用称量罐在称量状态和充气状态之间转换的设计方案。为保证测量的准确度，设计采用等臂结构的电磁天平，用替代法称量，以排除臂差的影响；称量罐包括两个设计尺寸完全相同的称量容器，分别为天平的左右盘，互为配重平衡砝码。由于两个称量罐容积相同，因此，由环境温度、大气压力和充气引起温度、压力改变造成称量罐体积变化引入的浮力修正不确定度分量基本抵消；设计称量罐移动辅助系统，

在称量容器底部安装水平移动导轨和升降机构，方便称量容器充气和称量状态的切换；称量装置采用PLC控制，天平的读数、制动、加码、罐体移动及测量全过程均由计算机控制，自动化程度高，操作简便。 2.2 快速切换阀

为了控制流经喷嘴（流量计）的气体在检定/校准过程中切入、切出称量容器和提供检定/校准时间起、止同步信号，装置采用快速三通切换阀的设计方案。快速切换阀是改变气体流通方向的换向部件，其换向时间的长短和测量准确性直接影响装置的准确度。

如图2所示，快速三通切换阀由三通阀体和驱动部分构成。三通阀体为DN100/PN40的三通球阀，驱动部分采用电控液压的设计方案。

为减少换向过程引入的不确定度分量，必须对切换过程时间进行准确测量。安装在阀芯轴上同步转动的指针扫过光电开关对管阵列，从而触发一系列脉冲。测量脉冲系列的时间间隔和累计时间，即可提供每次换向的动态时间特性和检定/校准时间的准确测量。

为了研究快速切换阀的流量特性，如图3所示，在三通切换阀门的三个方向安装了动态压力传感器Pd1、Pd2和Pd3，配备了动态压力测试系统，在实际喷嘴校准测试过程中实时监测在三个方向的压力。通过观察压力的变化规律推断出在切换的瞬间（约30 ms内）阀门的流量特性，进而用于流量的修正和不确定度计算，并通过结构设计避免快速切换阀切出时VA1中的气体向VA3的倒流现象。 2.3 音速喷嘴组

音速喷嘴组用于在二次标准中建立检定/校准状态及不同的检定/校准点，其由15支临界流文丘里喷嘴、滞止容器、选择阀门组及压力、温度变送器组成。喷嘴组采用滞止容器方式安装，上游的滞止容器满足国家计量检定规程JJG620-2008《临界流文丘里喷嘴》F.2中的“大空间”要求。选用滞止容器模式可以减小由每个喷

嘴都必须测温、测压带来的不确定因素。喷嘴喉径范围2.2～72mm。经检定后，音速喷嘴组流量的总扩展不确定度优于0.15%，可校准0.5级及以下各种流量计。根据不同的检定/校准流量、压力要求，每个喷嘴的开、关通过控制对应的气动阀门开关实现，喷嘴流量可任意组合；通过调节喷嘴滞止压力，可方便地设定检定/校准流量点，流量范围为20～24000 m3/h（0.01～40kg/s）。 2.4 检定管线

二次标准的主检定管线共设3条：DN600，DN400，DN200，其中DN200为转盘复合式，转盘设4条管线：DN200，DN150，DN100，DN80。其他口径检定管线采用更换直管段的方式，包括DN350，DN300，DN250，DN50，DN40，DN25。检定管线材料为304不锈钢管线。前直管段长度≥20D，后直管段长度≥5D（D为检定管线的直径）。检定管线中安装自动气动夹表装置，实现被检表快速装夹，方便换装。 3.1 一次标准工作原理

一次标准为mt法，也就是质量-时间法[10][11]，主要测量检定/校准过程中流经流量计的质量m和时间t。装置工作原理简述如下。 3.1.1 单罐充气称量工作原理

如图4所示，在称量容器与管线断开的情况下，专用电磁天平称出贮气容器的皮重M'0。然后关闭天平，接通管线，打开切断阀和进气阀门，快速切换阀处于通向排气的方向，建立稳定工作状态，如图5所示。

如图6所示，快速切换阀换向，向称量容器充气，同时开始计时；在经过预设的时间后快速切换阀再次换向，停止充气，同时停止计时，这时可测得两次切换的时间间隔t。

充气后关闭截止阀，断开管线，专用电磁天平称出的总重（皮重+充入气体量）为M'，则气体标准质量流量qm可由式（1）计算得到。

式中：qm——气体标准质量流量，kg/s；

m——流经临界流文丘里喷嘴（或次级标准-流量计）的气体质量，kg； t——测量时间，s

被校流量计的指示流量q与qm相比较即可达到校准气体流量计的目的。 3.1.2 双罐充气称量工作原理

为了增加气体称量范围，装置设计了两个相同的称量容器。在单罐测量时，另外一个罐可作为配重砝码；单罐无法满足要求时，可采用双罐同时充气的方法，工作流程如图7所示。称量结束后，两罐空气的质量等于2×(D-C)+(C-B)，式中的B、C、D为砝码质量，见图7。 3.2 二次标准工作原理

二次标准为标准表法，其原理是以标准流量计为标准器，使流体在相同时间间隔内连续通过标准流量计和被校流量计，比较两者的输出流量值，从而确定被校流量计的计量性能[5-9]。本装置的二次标准主要由滞止容器、喷嘴组及测量管线组成，如图8所示。根据被校流量计的流量点设定打开几个喷嘴。喷嘴在工作时保持临界状态，流过喷嘴的流量为各个喷嘴流量之和。单个喷嘴的流量按照式（2）计算。 式中：qm——气体标准质量流量，kg/s； ——喉部面积，m2； C——流出系数；

——临界流函数（实际气体，一维等熵流）； CR——临界流系数，；

Z0——文氏管入口滞止条件下的气体压缩系数； p0——文氏管入口处的绝对滞止气压，Pa； ρ0——文氏管入口处的滞止密度，kg/m； T0——文氏管入口处的滞止温度，K；

R——通用气体常数[8314.51 J/(kmol·K)]； M——气体相对摩尔质量，kg/kmol

气体大流量标准装置的成功研制提高了气体大流量校准的准确度，满足航空工业的要求，并进一步提高了国内气体流量的计量水平，其技术成果如下：

该气体大流量标准装置最大工作压力达4MPa，最大流量达10kg/s，可检定/校准临界流文丘里喷嘴的最大喉径为Φ72mm，装置的扩展不确定度优于0.1%（k=2）。

二次标准可校准流量计的最大口径可达Φ600mm，质量流量40kg/s，标准体积流量120000 m3/h。

装置称量质量采用三刀等臂天平。该天平将电磁力平衡技术应用于5 t机械天平，灵敏度高，稳定性好。在5 t天平皮重约4.7 t的情况下，实现了单罐200kg（双罐400kg）以内气体的准确称量，称量误差小于±2 g。

采用液压驱动的快速三通切换阀，国内首次达到在30 ms内实现DN100空气流路的快速切换，且采用液压储能技术，保证了换向时间有较好的重复性。 首次提出了双罐称量模式，可实现单罐充气和双罐充气称量两种工作方式。由于两个称量罐的设计尺寸完全相同，在称量过程中可有效抵消由于工作条件变化产生的浮力影响，提高称量准确度，同时双罐充气方式也有效地扩展了装置的测量范围。 采用动态数据采集系统对快速切换阀上下游动态压力进行测试，得到切换阀换向过程中气体流动状态的变化规律，将变化规律的模型应用于检定/校准时间计算中，有效提高了装置的测量准确度。

气体大流量标准装置是航空发动机研制的必备设备。本项目所研制的气体大流量标准装置达到目前国内和国际上同类装置的先进水平，填补了我国正压法气体大流量计量标准的空白。

该装置除可以完成流量校准外，还可用于开展各种流量试验，例如流量测量用探针

校准、流量管特性研究、气流边界层对流量测量的影响等，对于推动流量相关的科研工作将起到重要作用。该装置不仅是国防军工研制的必备设备，在国民经济发展中也将发挥重要作用，可以解决目前国内无法对大口径、大流量气体流量计的计量问题，如天然气、压缩空气、蒸汽大流量的计量等。同时该装置实现了气体大流量计的实流检定/校准，有效提高了大口径、大流量计计量的准确度。装置的建成将提高我国气体大流量的计量水平，为生产、应用大口径气体流量计提供计量基础，在节能减排领域发挥重要作用。

【相关文献】

[1]蔡武昌.流量测量方法和仪表的选用[M].北京：化学工业出版社，2001. [2]苏彦勋，梁国伟，盛健.流量计量与测试[M].北京：中国计量出版社，2002. [3]周伟华.浅谈流量计量的意义[J].计量与测试技术，2008，35（8）：85-86.

[4]徐英华.浅谈气体流量标准装置的发展状况[J].现代测量与实验室管理，2004（2）：7-8. [5]耿存杰.槽道式气体流量标准装置的研究[D].南京:南京航空航天大学，2007. [6]刘丁发.并联式标准表法气体流量标准装置研究[D].杭州:中国计量学院，2014.

[7]程亚杰，滕文盛.标准表法在气体流量计检定中的应用[J].计量检定，2003，7（1）：23-24. [8]齐利晓，孙立军，张涛，等.标准表法气体流量标准装置的研制[J].化工自动化及仪表，2010，37（2）：34-38.

[9]涂波.标准表法气体流量标准装置的研制[D].杭州：浙江理工大学，2015.

[10]罗镇伟，孙玉声，黄锦才，等.mt法新型天然气流量标准装置的研制[J].实用测试技术，1997，23（2）：1-8.

[11]刘东升，赵晋俊，刘缙林，等.质量法高压气体充装流量标准装置的研制及其检测方法研究[J].石油与天然气化工，2016，45（2）：77-82.