气体小流量系统现场校准的可行性方案论证

气体小流量系统现场校准的可行性方案论证
雷天人，蒲文涛
西安航空动力控制科技有限公司计量处西安市 710077
【摘要】：本文介绍气体小流量系统现场校验的基本组成部分，及为克服现场校准流量源不稳定所
设计的恒流量装置，从而保证了现场校验结果的准确性，实现气体小流量系统地现场校准。

关键词：气体小流量系统现场校验比较法恒流量装置
0引言
针对本厂一分部IPSEN低压渗碳炉气体质量流量控制器的校准，我们进行了大量市场调研，由于IPSEN低压渗碳炉气体质量流量控制器是工业用流量测试及反馈控制系统，不易拆卸送检，且国内气体流量校准装置都是大型固定的检定/校准装置，不宜到现场对IPSEN低压渗碳炉质量流量控制器进行校准，因此，我们通过对国内外资料的查阅，可用以下方案完成对IPSEN低压渗碳炉气体质量流量控制器现场流量校准。

1 方案设想思路
现场标准表法流量校准装置，关键技术在于现场流量测量和流量控制技术；对于校准系统中流量源稳定性的控制、测量方法的选择、标准流量计的选择以及数据的处理是流量测量系统的关键。

目前大多数单位采用标准流量计校准系统，即采用被检表与标准表相比较的人工读数法，校准过程需要反复读数、记录数据、调节流量、计算误差，存在着人为读数误差（0.16%），从而增加了整个校准装置的总不确定度（0.5%）；另外，国内外普遍采用以“组态王”为工控软件的自动校准系统，自动采集被检表及标准表的信号，由计算机自动完成数据采集处理、误差计算，从而大大降低了人为误差，提高了工作效率。

2 现场校准方法的确定
采用比较法进行现场校准，即将采用标准流量计作为主标准器，同时配备现场校准管路，温度、压力仪表等部件构成现场校准系统，将其串入被测流体管路，使流体连续流过标准流量计和现场被检流量计，用比较法确定被测流量测量系统的误差。

①被校流量传感器 ②进口压力 ③标准流量传感器 ④阀门 ⑤出口温度
气体现场流量校准装置原理图
3 现场流量校准系统可行性方案论证
系统基本组成：恒流量装置（关键装置）、标准流量计、压力温度辅助装置及校准管路。

图4气体流量校准装置系统气路模型 3.1恒流量装置
3.1.1恒流量装置设计原理
从流体力学的角度来说，气体小流量控制是利用某种装置在气体气压回路中造成一种局部阻力，并通过改变局部阻力的大小，达到调节流量变化为目的的一种控制方法。

流量控制阀是采用该原理通过改变阀的流通面积来实现流量（或流速）控制的。

针阀属于流量控制阀中的一种，一般设置在回路中，以控制所通过的气体流量。

恒流量装置设计的理论基础是流体力学，设计对象是在亚声速区流动的可压缩性气体；气体正压力变化的同时，体积随之改变的性质称为气体的压缩性，当节流阀的前后压力满足时，气体流速是在亚声速区；可压缩性气体流速在亚声速区时，通过节流小孔的流量公式： Q=234S 1
pp ∆T
273
式中：q-----自由（基准）状态流量（大气压力：0.101325MPa ），m 3/min ； T-----气体绝对温度，K ； S----针阀的流通面积，m 2； p 1，p 2----针阀前后压力，MPa ；
p ∆----针阀前后端压差，MPa ；21p p p -=∆。

从上边公式不难看出，只要保证针阀前（或后）端压力和前后端压差恒定，就可以实现通过节流阀的流量恒定，这就是恒流量装置的设计原理。

3.1.2 恒流量装置工作原理
恒流量装置可以分为输
入端压力恒定和输出端压力恒定两种结构，具体如图1、2所示。

设弹簧的预紧力为K ，通过判断21p p 产生的力F 与K 的关系来说明恒流量装置的工作原理。

输入端压力恒定的恒流量装置： （1）当F ＞K 时，1p 推动横隔膜和柱塞向上移动，气源
与1p 腔的流通面积减小，流入1p 腔的气体量减小，
1p 减小。

(2) 当F ＜K 时，2p 推动横膜和柱塞向下移动，气源与
1p 腔的流通面积增大，流
入1p 腔的气体量增大，1p 增大。

(3) 当F=K 时，2p 产生的压力与弹簧的预紧力之和恰好平衡1p 产生的力，横隔膜和柱塞不动，气源压力恒定，气源与1p 腔的流通面积不变，针阀两端压力差不变，通过针阀的流量不变。

恒流量调节控制阀的工作原理就是通过(1）和(2）两种情况的调节，实现第三种情况的平衡，最后实现恒流量控制。

输出端压力恒定的恒流量装置的工作原理与输入端恒定的恒流量装置的工作原理基本相同。

3.1.3 恒流量装置在气体压力控制器的应用
气体现场流量检定校准装置需要恒定的气体流体（包括管道输入、输出需要恒定的进出口压力；温度和不可压缩管道气容），因此将其气路模型设计成如图3所示的结构，通过输入端压力恒定的恒流量装置对气体现场流量装置充气（即加压过程），通过输出端压力恒定的恒流量装置对气体现场流量装置放气（即减压过程），为了便于分析和研究问题，特作如下假设：
（1）在常温常压下，把所研究的工作介质看成理想气体，理想气体状态方程PV=mRT 也适用与描述流动气体微团内各气体状态参数间的关系；
（2）气体流动过程为等熵（可逆绝热）过程，密闭容腔充放气时气体与外界无热量交换，即视为绝热过程；（将气体现场流量校准装置校准管路设计的尽量短）
（3）气体经过阀口流动时忽略粘性阻力的影响，并可以认为气体温度变化对其特性影响很小，即视为等熵绝热过程；（将气体现场流量校准装置校准管路内腔焊点及连接过度部分做的光滑，无毛刺） (4)认为系统在充放气过程中无凝结现象产生；（将气体现场流量校准装置校准管路设计的尽量短） (5)忽略各处的泄露。

由以上假设可知，定体积的现场流量校准管路的气容C 是一定的，通过目标压力t p 与气容内的原压力p 的差t p ∆可以计算出需要充入或放出的气体质量m ∆：
m ∆=C t p ∆
由于单位时间内通过恒流量装置的自由状态气体的体积流量是一定的，又因为是等熵过程，所以气体的密度也是已知的，故质量流量也是一定的。

只要控制恒流量装置的充放气时间就可以实现目标压力。

图3 气路模型
3.1.4试验
将气动元件按照图3所示的气路模型连接起来，用DRUCK 的DPI610数字压力计监测气容压力，用秒表记录时间，在气源压力为2.0MPa 、一定针阀开度下进行试验，验证恒流量装置的恒流量特性，试验数据如表1所示。

从试验数据可以看出，在气源压力和大气压力恒定的条件下，恒流量裝置具有恒流量特性。

3.2 现场流量校准装置可行性论证
从以上论述可以证明：要保证现场微小流量测量的准确度可靠，必须要求现场流量校准装置进口与出口气体压力差的相对恒定。

不难想象到只需要将现场流量校准装置假设为一个气容装置，那么图4就是一个现场比较法微小流量测量系统的最佳假设。

图4气体流量校准装置系统气路模型
3.2.1气体现场校准装置设计与制造过程中应注意的问题 作为一个气体现场流量检定/校准装置务必具有以下两点：
(1) 现场流量检定/校准装置应具备恒定的流体源，这一条件一般现场都不具备,因此必须有一个稳压稳流装置加以保证。

(2) 现场流量检定/校准装置应具备先进科学的计流量测试方法与计量测试系统。

所以，装置的设计与制造过程应围饶以上两点，且请注意以下问题： a.校准管路设计应尽量短，以保证气体温度的恒定。

b.内腔应光滑无毛刺。

c.校准装置气体输入、输出端应有恒流量装置，以保证校准装置有恒定流体通过，确保现场校准数据的准确可靠。

3.2.2 气体现场流量校准系统的主要技术指标 (1) 流量测量范围：2.83~1416ALPM (2) 系统测量精度：≤读数的±0.3% (3) 测量重复性：≤读数的±0.1% (4) 测量线性度：≤±0.1%（10：1量程） 3.2.3 气体现场流量校准系统配置 (1) 气体涡轮流量传感器（主标准器）
a. FT2-8AEYAUGEH-5：流量范围：2.55~35.5ALPM 1件
b. FT8-8AEYAUGEH-5：流量范围：11.5~226.5ALPM 1件
c. FT-16AEYAUGEH-5：流量范围：42.5~1699ALPM 1件 (2) 载波式放大器：CA03-3-A-0000-9 2件 (3) 数字流量显示仪表：SL92-L-1
4 结束语
综上所述：现场气体小流量校准装置务必需要一个恒定的流体源，即本系统中的恒流量装置；另外，标准法流量计检定系统，采用被检表与标准表相比较的人工反复读数法。

再经过数据记录、计算，可以实现整个装置的总不确定度达到=U 0.5%；（2=k ）。