摘 要 國防科技工業 4113 二級計量站擁有國內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及民用領域提供了大量較好的氣體大流量計量服務，裝置穩定可靠，運行狀態良好，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，在原有基礎上新增標準表及大型風機氣源系統，并對高壓反充系統進行升級改造。重點介紹氣源系統的設計及改造方案。

0 引言

國防科技工業 4113 二級計量站(以下簡稱“計量站”)作為國防科技工業特殊需求的大流量專業計量站，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較大，廣泛用于國防科技工業氣體大流量的量傳，同時也為民用計量領域提供了大量的較好計量服務，廣受好評。

鐘罩式氣體流量標準裝置因其良好的綜合性能，被各級計量機構作為氣體流量較高標準廣泛使用，但由于結構原理所限，其工作過程為往復式(非連續)，工作效率低。較大流量受鐘罩的標準容積所限，現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同類裝置較大，而其鐘內壓僅能達到 9500Pa，主管路為 DN300(局部擴充達到 DN600)，裝置持續穩定流量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(部分類型氣體流量儀表響應時間 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、管路及測控系統等進行全面升級改造，改造后應用效果良好。

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上新增標準表系統，通過標準表的并聯實現裝置流量上限的拓展;通過對高壓反充系統的提升改造，提高反充實驗壓力和流量的可控性和穩定性。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。主要改造內容和方案如下:在原有鐘罩原理的基礎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與實驗管路切斷即可，然后啟動風機氣源系統，空氣被壓縮后依次經過實驗管路、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連續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。實驗過程中依靠流量調節閥和變頻系統調節流量，測控系統采集標準流量和被檢流量計信號并進行數據處理和結果輸出。具體改造措施如下:

1. 2 大型氣源及流量調節系統設計與實施

集成、安裝高壓離心風機作為持續穩定流量源。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 設計計算，主管路空氣流速由下式計算:

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

式中:Δp p 為系統總局部壓力損失，Pa;ζ i為各局部阻力件阻力系數;v i 為局部阻力件處的流速，m/s。從上述計算數據可以看出:系統主要壓力損失來源于局部阻力件，尤其是在管道內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，其性能參數如表 1 所示。

安裝 DN300 渦街流量計后實測，系統較大流量達到 12000m 3 /h，較大壓力約 15000Pa，對照該型風機理論參數，與該計算結果有很好的一致性，驗證了設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急氣源，當工廠壓縮空氣(提升鐘罩用)無法正常供應時依然能保證裝置正常運行。

大流量的精準調節:裝置采用變頻結合閥門調節實現裝置大流量的精準調節。其中，變頻系統75kW 較好變頻器作為核心集成定制變頻柜一套。經試用變頻器對原有裝置及儀表無明顯干擾，頻率調節精度和穩定性達到 0. 05Hz，風機較低穩定轉速達到 10Hz，調節效果良好。此外變頻調節的穩頻、節能、減震和降噪效果顯著。主調節閥采用 DN300渦輪蝸桿蝶閥，配合變頻系統使用，實際調節效果良好。

1. 3 標準流量計系統配置和使用

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 等口徑應力式渦街流量計，精度等級1. 0 級。通過匯流管路能夠實現渦街流量計并聯使用，并聯使用可以滿足 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標準流量計的選擇，標準流量計可以單獨或并聯使用，并聯使用不影響系統準確度等級。標準流量計可以根據檢定結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末端，能保證標準流量計的被檢定狀態和使用狀態一致，較大限度保障標準流量計的復現性能。裝置配置 XMFL-7型多路流量積算儀實現時間和脈沖的同步采集，采用脈沖插入技術，可以測出流量計脈沖的小數值，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則按照下式進行計算:

渦輪蝸桿蝶閥，配合變頻系統使用，實際調節效果良好。

1. 3 標準流量計系統配置和使用

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 等口徑應力式渦街流量計，精度等級1. 0 級。通過匯流管路能夠實現渦街流量計并聯使用，并聯使用可以滿足 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標準流量計的選擇，標準流量計可以單獨或并聯使用，并聯使用不影響系統準確度等級。標準流量計可以根據檢定結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末端，能保證標準流量計的被檢定狀態和使用狀態一致，較大限度保障標準流量計的復現性能。裝置配置 XMFL-7型多路流量積算儀實現時間和脈沖的同步采集，采用脈沖插入技術，可以測出流量計脈沖的小數值，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則按照下式進行計算:

式中:K t 為被校準流量計儀表系數，1/L;K s為

標準流量計的儀表系數，1/L;N t 為被校準流量計輸出的脈沖數;N s 為標準流量計輸出的脈沖數;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 標準表法測控系統研發

編制測控軟件一套，實現標準表法壓力、溫度、時間、脈沖、頻率等參數的自動采集和數據處理。通過測控系統實現標準流量計的選擇，標準流量計可以單獨或并聯使用，并聯使用不影響系統準確度等級。測控系統操作界面如圖 3 所示。

1. 5 高壓反充系統提升改造

針對高壓損氣體流量儀表，如科式力質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進行了升級改造。具體采用兩個串聯的 15m 3中壓罐作為反充氣源的穩壓緩沖容器，在反充氣源上設置口徑為 DN200 的 Y43H-16Q 型活塞式減壓穩壓閥，屬于先導式減壓閥，便于直接手動調節閥后壓力。用于被檢流量計入口處壓力的調節與穩定。

經過實際測試驗證，系統反充壓力可以實現0 ～0. 7MPa 的連續可調。在 6000m 3 /h 的反充流量下，表前壓力可穩定在 0. 2MPa。采用 DN50 口徑科式力質量流量計進行反充測試，較大穩定流量達到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，改造后應用效果良好。

1. 6 實驗環境控制及人員防護

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手段，使風機部位產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進行改造，新增 DN200 室外排氣系統，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會使室溫快速升高，通過對氣體實驗室通風系統的改造，提升實驗室通風換氣效率和實驗室環境溫度的均勻性。

1. 7 不確定度評估

采用定點儀表系數法時，標準表法系統的不確定度分量主要包括:檢定標準表裝置、標準表重復性、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)，靈敏系數為 －1;經檢定該型標準表重復性普遍優于 0. 1%，靈敏系數為 1;設壓力測量誤差為 0. 1%，矩形分布，不確定度約為 0. 06%，靈敏系數為 1;設溫度測量誤差為 0. 2℃，氣溫 20℃，按矩形分布，不確定度約為0. 04%，靈敏系數為 1。則標準表法系統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)。根據估算，采用定點使用法時標準表法系統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，顯著提升了裝置氣體流量上限。此次升級改造經費由企業自籌，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據處理方式予以彌補。由于采用國內較大鐘罩式氣體流量標準裝置對標準流量計實現了原位校準，因此能保障實驗數據的準確可靠。此次改造也為本裝置進一步提升拓展積累了經驗。