摘 要:根據(jù)傳統(tǒng)鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前檢測(cè)或科研工作的擴(kuò)展需求，設(shè)計(jì)可變工況型鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，給出設(shè)計(jì)思路，包括可變流量范圍、可變壓力范圍、可變溫度范圍、可變信號(hào)接收方式等方面，提出具體設(shè)計(jì)方案，以滿足工作需求。有利于改進(jìn)現(xiàn)有裝置的不足，設(shè)計(jì)出功能更為強(qiáng)大的新型鐘罩裝置，為標(biāo)準(zhǔn)裝置的產(chǎn)業(yè)化打下基礎(chǔ)。

 

    引言

    鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置屬于氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的一種，是以氣體為介質(zhì)，對(duì)氣體流量計(jì)進(jìn)行檢定、校準(zhǔn)和檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)裝置，它應(yīng)用較早，主要用于企事業(yè)實(shí)驗(yàn)室、第三方技術(shù)機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)鐘罩裝置結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

 

 

    對(duì)于傳統(tǒng)鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，其流量范圍、壓力范圍、溫度范圍、信號(hào)接收方式等都是確定的，稱之為固定工況。例如一套鐘罩裝置，其流量范圍( 0 ～ 6) m3 /h; 壓力范圍( 0 ～ 4) kPa; 溫度范圍: ( 20 ± 2) ℃ ; 信號(hào)接收方式: 電壓脈沖與( 4 ～ 20) mA電流模擬信號(hào)等。對(duì)于當(dāng)前檢測(cè)或科研工作中的擴(kuò)展需求，固定工況型鐘罩裝置已經(jīng)不能滿足要求。 

 

    1 擴(kuò)展需求

    1. 1 流量范圍需求

    對(duì)于一臺(tái)固定容積的鐘罩裝置，其流量范圍是確定的，包括流量上限與流量下限，它僅適用于流量范圍之內(nèi)的被檢器檢測(cè)。對(duì)于流量上限過大或流量下限過小的被檢器，無法滿足檢測(cè)要求。 

 

    1. 2 壓力需求

    當(dāng)鐘罩裝置用于檢測(cè)氣體超聲流量計(jì)、金屬管浮子流量計(jì)等高壓型被檢器時(shí)，往往需要裝置提供更高的檢測(cè)壓力，否則被檢器可能工作不正常，此時(shí)非常高檢測(cè)壓力可能為( 5 ～ 6) 個(gè)大氣壓力需求，而傳統(tǒng)裝置往往只有( 0. 03 ～ 0. 04) 個(gè)大氣壓力，顯然無法滿足要求。 

 

    1. 3 溫度需求

    傳統(tǒng)鐘罩裝置的設(shè)計(jì)理論、組件及設(shè)備配置，均適用在常溫狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)氣體質(zhì)量流量計(jì)等對(duì)溫度敏感的被檢器或開展某種特定溫度下的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，常溫型的鐘罩裝置顯然無法滿足工作要求。此時(shí)需要提供的氣體溫度可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離溫室，例如要求15℃下對(duì)某流量計(jì)進(jìn)行示值誤差試驗(yàn)時(shí)。 

 

    1. 4 信號(hào)接收方式需求表

    除了常用的電壓脈沖與( 4 ～ 20) mA 電流模擬信號(hào)以外，還有很多儀表信號(hào)制式; 隨著計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，各種現(xiàn)場(chǎng)總線甚至無線信息傳輸?shù)姆绞揭矐?yīng)運(yùn)而生，因此必須增加新的信號(hào)接收裝置加以適應(yīng)。 

 

    2 設(shè)計(jì)思路

    根據(jù)傳統(tǒng)鐘罩裝置的流量范圍、壓力范圍、溫度范圍、信號(hào)接收方式，設(shè)計(jì)改進(jìn)其中的一種或幾種，使其可以選擇的信號(hào)范圍和種類更多，這稱之為可變工況。

 

    例如，可以通過多個(gè)鐘罩并聯(lián)的方式解決流量范圍問題，稱之為并聯(lián)式鐘罩，如圖 2 所示。

 

 

 

    傳統(tǒng)鐘罩裝置一般均為正吹法管線，如圖 3 所 示; 而反吹法管線設(shè)計(jì)方式可以實(shí)現(xiàn)增加裝置的上限壓力，如圖 4 所示，兩者的氣流方向是相反的。

 

 

    可以將正吹法、反吹法管線設(shè)計(jì)在同一套鐘罩裝置上，即實(shí)現(xiàn)了可變的試驗(yàn)壓力范圍。如圖5 所示，兩種方法根據(jù)需要通過閥門手動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)行切換。

 

 

    另外，可以通過增加氣體溫度調(diào)節(jié)組件的方式來實(shí)現(xiàn)溫度可變調(diào)節(jié)，如圖 6 所示。

 

    現(xiàn)場(chǎng)總線( Field bus) 是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表與高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。由于現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，因而近年來在計(jì)算機(jī)和儀表廠商中得到了廣泛應(yīng)用�？赏ㄟ^增加對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)的支持來擴(kuò)展鐘罩裝置的應(yīng)用。

 

 

    3 設(shè)計(jì)方案

    3. 1 可變流量范圍設(shè)計(jì)

    鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量上限主要取決于鐘罩本體容積的大小，鐘罩本體一般有 20L、50L、 100L、200L、500L、1000L 和 2000L 等多種規(guī)格，每個(gè)鐘罩本體對(duì)應(yīng)一個(gè)上限流量 Qmax，具體見表1。

 

 

 

    可以根據(jù)實(shí)際需要將不同流量上限的鐘罩加以并聯(lián)組合，即成為并聯(lián)組合式鐘罩氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，從而實(shí)現(xiàn)可變流量范圍，如圖 7 所示。

 

 

 

    圖 7 為 20L、100L、1000L 三個(gè)規(guī)格的鐘罩的并聯(lián)組合，根據(jù)被檢器的工作量程，自動(dòng)選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)器，可使流量量程比達(dá)到 500∶ 1，適應(yīng)高量程比的要求，極大提大檢測(cè)能力，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。 

 

    3. 2 可變壓力范圍設(shè)計(jì)

    壓力參數(shù)是影響鐘罩性能的主要性能指標(biāo)，為了有效增大鐘罩壓力，可以設(shè)計(jì)一種正、反吹法鐘罩裝置。如圖 8 所示，裝置集正吹與反吹兩種方法于一身，其中正吹法壓力范圍為( 0 ～ 4) kPa ，反吹法的壓力范圍為( 4 ～ 0. 6) MPa，利用正吹與反吹兩種方法，可使鐘罩壓力范圍達(dá)到( 0 ～ 0. 6) MPa，適應(yīng)高壓力比的要求。 圖 8 實(shí)際為一種自動(dòng)控制型正、反吹鐘罩裝置，通過預(yù)先設(shè)定好正吹法及反吹法檢測(cè)管線、信號(hào)補(bǔ)償部件、流量調(diào)節(jié)部件、壓力源及壓力調(diào)節(jié)部件等，利用開關(guān)閥切換管路或功能，然后通過系統(tǒng)軟件控制數(shù)據(jù)信息采集及部件動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)正吹法和反吹法的自動(dòng)控制選擇。

 

 

 

    可變溫度范圍設(shè)計(jì)

    溫度參數(shù)也是影響鐘罩性能的主要性能指標(biāo)，通過增加氣體溫度調(diào)節(jié)組件的方式，設(shè)計(jì)一種可模擬介質(zhì)實(shí)際使用溫度的鐘罩裝置。它包括進(jìn)氣組件和鐘罩，進(jìn)氣組件出口端連接有氣體調(diào)節(jié)組件，氣體調(diào)節(jié)組件包括氣體混合保溫器和分別與其連接的氣體制冷器和氣體加熱器，氣體制冷器和氣體加熱器并聯(lián)、與進(jìn)氣組件出口端連接，氣體混合保溫器出口端與鐘罩之間連接有被檢器接口，鐘罩連接有排氣組件。進(jìn)入被檢氣體流量計(jì)的氣體與實(shí)際使用溫度相同，測(cè)量接近實(shí)際，提高檢測(cè)準(zhǔn)確性，檢測(cè)數(shù)據(jù)更可靠，具體實(shí)現(xiàn)如圖 9 所示。

 

 

 

    注意: 圖 9 中的兩個(gè)擴(kuò)展應(yīng)用: 一是鐘罩位置換成氣體標(biāo)準(zhǔn)表或音速噴嘴時(shí)，即改變了裝置的標(biāo)準(zhǔn)器類型; 增加 521 － 真空泵進(jìn)氣閥設(shè)計(jì)后，即變成了負(fù)壓法氣體裝置，可節(jié)約運(yùn)行成本。

 

    3. 4 可變信號(hào)接收模式設(shè)計(jì)

    鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可檢測(cè)被檢器種類大致或分為三類，要求裝置具備不同的信號(hào)接收和處理能力。

 

    (1) 無信號(hào)輸出類，應(yīng)用于指針式或直讀式氣體流量計(jì)，如無補(bǔ)償型渦輪或羅茨流量計(jì)、分流旋翼型蒸汽流量計(jì)等。裝置可采用人工啟停時(shí)間接收、高速攝像的方法，配合專用處理軟件來實(shí)現(xiàn)。 

 

    (2) 脈沖輸出類，包括電壓脈沖、電流脈沖、高頻脈沖、低頻脈沖、光電脈沖、開關(guān)信號(hào)等，應(yīng)用于大部分種類的氣體流量計(jì)，如渦輪流量計(jì)、超聲流量計(jì)等。 

 

    (3) 模擬輸出類，包括電流模擬( 常用( 0 ～ 10) mA、( 0 ～ 20) mA) 、電壓模擬( 常用( 0 ～ 5) V、( 1 ～ 5) V) 等，應(yīng)用于各類工作級(jí)氣體流量計(jì)，如渦街流量計(jì)、熱式質(zhì)量流量計(jì)，金屬管浮子流量計(jì)等。 

 

    (4) 現(xiàn)場(chǎng)總線輸出類，包 括 Profibu、Modbus、 FoundationFieldbus 等多種，應(yīng)用于種類現(xiàn)場(chǎng)總線控制型氣體流量計(jì)。 

 

    (5) 無線射頻信號(hào)類，應(yīng)用于遠(yuǎn)程抄表或控制的氣體流量計(jì)，如皮膜燃?xì)獗�、超聲燃�(xì)獗淼取?nbsp;

 

    (6) 綜合類，即包含上述(1) ～ (5) 兩種或兩種以上信號(hào)類型的氣體流量計(jì)。

    通過對(duì)傳統(tǒng)鐘罩裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所需信號(hào)類型的接收和處理支持。 

 

    4 結(jié)束語

    鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置應(yīng)用廣泛，是氣體流量行業(yè)主要的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具。然而隨著新技術(shù)新需求的出現(xiàn)，有必要對(duì)傳統(tǒng)鐘罩裝置進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)或改造才能適用需求。筆者從實(shí)際出發(fā)，提出可變工況型鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)理念，提出了流量范圍、壓力范圍、溫度范圍、信號(hào)接收方式等方面的技術(shù)創(chuàng)新與改進(jìn)方案，能夠滿足企事業(yè)單位實(shí)驗(yàn)室、第三方技術(shù)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)及科研需求。