鐘形-重活塞式氣體流量校準(zhǔn)器研制*

陳賞順　張　赟　金　嵐　王函滔

(浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，杭州 310013)

0　引言

鐘形-重活塞式氣體流量校準(zhǔn)器是一種基于活塞式工作原理的高精度、寬量程新穎氣體流量試驗(yàn)裝置?？烧?fù)壓工作，為低雷諾數(shù)臨界流流量計(jì)、氣體質(zhì)量流量控制器、小口徑浮子流量計(jì)、層流流量計(jì)等提供標(biāo)準(zhǔn)流量量值。

1　鐘形活塞式氣體流量校準(zhǔn)器

鐘形活塞式氣體流量校準(zhǔn)器(圖1)用步進(jìn)電機(jī)作動(dòng)力，流量連續(xù)可調(diào)，相比傳統(tǒng)的活塞可以從外部測(cè)量活塞的直徑，大大降低了測(cè)量直徑的不確定度，且可提供穩(wěn)定的流量。活塞體采用外直徑測(cè)量，體積可以做得比較大，上限流量較高，但同時(shí)降低了下限流量的可靠性。

圖1　鐘形活塞式氣體流量校準(zhǔn)器

2　柱形活塞式氣體流量校準(zhǔn)器

柱形活塞式氣體流量校準(zhǔn)器(圖2)主要構(gòu)件有機(jī)架、步進(jìn)電機(jī)、流量控制器、流向指示器、精密絲桿組件、氣缸、柱形活塞、泄漏檢測(cè)器、計(jì)算機(jī)及控制軟件等組成。雙活塞校準(zhǔn)器的最顯著特點(diǎn)是試驗(yàn)過(guò)程流量穩(wěn)定，氣體無(wú)溫升，可連續(xù)測(cè)量。柱形活塞采用圓柱體作為測(cè)量元件，采用外直徑測(cè)量，其體積可以做得很小，常適用于微小流量的測(cè)量。檢測(cè)原理與鐘形活塞相同。

圖2　柱形活塞式氣體流量校準(zhǔn)器

3　鐘形-重活塞式氣體流量校準(zhǔn)器

鐘形-重活塞式氣體流量校準(zhǔn)器(圖3)是在鐘形活塞式氣體流量校準(zhǔn)器的基礎(chǔ)上，利用鐘形活塞的中心軸，設(shè)計(jì)成柱形活塞。鐘形活塞和柱形活塞分段使用，實(shí)現(xiàn)寬量程、高精度測(cè)量。

圖3　鐘形-重活塞式氣體流量校準(zhǔn)器

3.1　校準(zhǔn)器機(jī)械機(jī)構(gòu)組成

校準(zhǔn)器機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成主要有機(jī)架、氣缸、鐘形活塞、柱形活塞、電機(jī)和絲桿組件、試驗(yàn)管路、流向指示器。

3.2　校準(zhǔn)器電控組成

校準(zhǔn)器電控部分主要有光控信標(biāo)、電磁閥、溫度、壓力及濕度傳感器、單片機(jī)(下位機(jī))、計(jì)算機(jī)(上位機(jī))及系統(tǒng)軟件組成。

3.3　校準(zhǔn)器的工作原理

校準(zhǔn)器負(fù)壓工作時(shí)，氣體經(jīng)入氣口氣管，流向下氣缸、被檢流量計(jì)，從真空泵返回大氣。設(shè)此時(shí)的指示流量為qm，當(dāng)流量穩(wěn)定后，點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)開(kāi)始校驗(yàn)，步進(jìn)電機(jī)以qm的速度(流量)，驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲帽驅(qū)動(dòng)活塞作平移運(yùn)動(dòng)，鐘形活塞向下運(yùn)動(dòng)“擠”出氣缸內(nèi)氣體，與此同時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)離開(kāi)上氣缸的空間由大氣進(jìn)入填補(bǔ)。計(jì)算機(jī)即時(shí)記錄步進(jìn)電機(jī)步長(zhǎng)和速率、溫度、壓力、時(shí)間，按一定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算給出標(biāo)準(zhǔn)體積流量。校驗(yàn)微小流量時(shí)選用柱形活塞，工作原理與鐘形活塞相同。正壓工作時(shí)，不使用真空泵，入氣口改接高壓氣源即可，其余與負(fù)壓工作原理相同。

4　鐘形-重活塞式氣體流量校準(zhǔn)器主要特征

1)大活塞為鐘形活塞結(jié)構(gòu)，以外部直徑作為體積標(biāo)準(zhǔn)，具有加工、測(cè)量容易等優(yōu)點(diǎn)，利用鐘形活塞的中心軸，設(shè)計(jì)成柱形活塞，用于測(cè)量微小流量，提高校準(zhǔn)器精度和擴(kuò)大流量測(cè)量范圍。

2)雙密封圈將氣缸分為上缸和下缸，氣管連通上下缸，使得工作時(shí)上缸與下缸氣壓平衡，有助于氣密性和降低電機(jī)功率，使得缸內(nèi)壓力處于平衡狀態(tài)，不易產(chǎn)生泄漏。

3)上缸和下缸之間通過(guò)閥V1和流向指示器，可進(jìn)行預(yù)調(diào)流量、雙向檢測(cè)、實(shí)現(xiàn)不間斷流，使校準(zhǔn)器可以動(dòng)態(tài)檢定臨界流流量計(jì)流出系數(shù)。流向指示器指示流量和流向，供計(jì)算機(jī)調(diào)控流量，以提高工作效率。

5　結(jié)束語(yǔ)

鐘形-重活塞式氣體流量校準(zhǔn)器將鐘形結(jié)構(gòu)與柱形結(jié)構(gòu)相結(jié)合，擴(kuò)大了裝置的測(cè)量范圍，有效地提高了裝置的測(cè)量能力。該裝置可實(shí)現(xiàn)正負(fù)壓工作，檢測(cè)過(guò)程中不斷流，尤其是能動(dòng)態(tài)檢定低雷諾數(shù)臨界流流量計(jì)。

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