一种以音速喷嘴为标准器的正压高温气体标准装置

摘要

本发明的一种以音速喷嘴为标准器的正压高温气体标准装置，包括：空气压缩机、稳流容器、标准器单元、气体加热单元和被检表单元；标准器单元由滞止容器和多个音速喷嘴组成；空气压缩机的出口端连接稳流容器的入口端，稳流容器的出口端连接滞止容器的入口端，检定介质进入滞止容器后经多个音速喷嘴流出后通过汇流管进入气体加热单元，检定介质经加热后流经被检表单元后，再通过管道进入风冷机组；温度压力采集单元采集标准器单元和被检表单元的温度和压力值。该正压高温气体标准装置可在高温工况下对气体流量计进行标定，通过上位机控制采集相应的温度、压力值和被检表的信号，进而判断被检表与标准器之间的差值，从而计算出误差结果。

说明书

技术领域

本发明属于涉及一种正压高温气体标准装置，涉及一种以音速喷嘴为标准器的正压高温气体标准装置。

背景技术

随着我国工业的突飞猛进，气体流量计被广泛应用于化工、冶炼、贸易交接等关键场合，其中，近些年高温气体流量计的需求猛增，在冶炼、化工、热量传输等行业被广泛应用，然而，如何对这些流量计进行检定或校准，成为计量行业的难题。

目前使用的方法是将高温流量计在常温的装置上进行校准，比如说差压流量计和涡街流量计，在常温的工况条件下标定的数据不能完全反映该流量计在实际使用中的工况场景的精度，这给许多高温气体流量计的使用者和生产者带来了难题。为了解决高温气体流量的标定难题，研制一种正压高温气体标准装置势在必行。

发明内容

针对高温气体流量计不能在高温工况下标定的问题，常温标定不能真实反映高温气体流量计的性能的问题，本发明提供一种以音速喷嘴为标准器的正压高温气体标准装置。

本发明提供一种以音速喷嘴为标准器的正压高温气体标准装置，包括：空气压缩机、稳流容器、标准器单元、气体加热单元、被检表单元、风冷机组和温度压力采集单元；所述标准器单元由滞止容器和多个音速喷嘴组成；所述空气压缩机的出口端通过管道连接稳流容器的入口端，稳流容器的出口端通过管道连接滞止容器的入口端，检定介质进入滞止容器后经由多个音速喷嘴流出后通过汇流管进入气体加热单元，检定介质经加热后流经被检表单元后，再通过管道进入风冷机组；所述温度压力采集单元包括温度变送器、压力变送器和机械压力表，以采集标准器单元和被检表单元的温度和压力值。

在本发明的以音速喷嘴为标准器的正压高温气体标准装置中，所述稳流容器由储气罐和稳流罐组成，所述储气罐的入口端通过管道连接空气压缩机的出口端，储气罐的出口端通过管道经干燥器连接至稳流罐，干燥器的入口端和出口端分别设有过滤器，在稳流罐的入口端设有第一调压阀。

在本发明的以音速喷嘴为标准器的正压高温气体标准装置中，所述气体加热单元包括加热器、温度采集部件和PID控制器，温度采集部件采集加热器炉膛内的温度发送到PID控制器，通过PID控制器对加热器进行PID调节实现检定介质的恒温。

在本发明的以音速喷嘴为标准器的正压高温气体标准装置中，所述被检表单元包括：高温夹表器和流量计，流量计通过高温夹表器装夹固定，被检表单元外部设有保温层。

在本发明的以音速喷嘴为标准器的正压高温气体标准装置中，所述温度变送器和压力变送器自带4-20mA输出信号，通过模拟量采集模块将4-20mA信号转换成RS232信号送给上位机计算获得温度、压力值，以参与检定的计算。

本发明的一种以音速喷嘴为标准器的正压高温气体标准装置，至少具有以下有益效果：

1.本发明选用了气体流量标准装置广泛使用的标准器音速喷嘴，音速喷嘴在达到音速流后，流过的喷嘴的流量恒定不变。该装置在喷嘴处设计为常温状态下工作，避免了高温给音速喷嘴带来的影响，同时常温的工况条件也方便了音速喷嘴的溯源，方便了装置的使用和校准。

2.本发明只在被检表单元所在区域设计为高温区，温度范围0-200℃。采用高温夹表器装夹被检表，该区域设计有保温层，防止被检表前后直管段的温度变化，避免了较大的温差对流量计检定的影响，该区域的设计完全满足高温气体流量计工况使用的条件。解决了常温工况条件下标定给高温流量计带来的影响。

3.本发明选用一台空气压缩机作为气源，空气压缩机可以根据高温气体装置的最大流量选择，能够满足高温气体流量标准装置对总气量的要求。同时，除了空气压缩机以外，还标配了冷冻式干燥机和过滤器，保证进入高温气体流量标准装置的气体为干燥清洁，不会对检定介质的密度产生影响。

4.本发明选用了双级稳压结构。分为储气罐和稳流罐两部分，储气罐和稳流罐的选择可以根据高温气体流量标准装置的最大流量来设计。当空气压缩机的气体进入储存罐后，储气罐的压力会升高并且稳定在一个稳定值，打开稳流罐前端的调压阀，调节进入稳流罐的气体压力。从而实现对进入音速喷嘴前端气体压力的调节。该设计能够满足音速喷嘴达到音速流时前端的工作压力值。并且该压力可以根据被检表的工况压力需求来调节。

5.本发明的加热部分设计在标准器单元后端和被检表单元前端，只在被检表区域进行加热，并且加热器具有PID调节功能，在设定好检定所需温度后，无需再进行人为操作，加热控制器会根据炉膛内温度和加热器出口的温度自动调节管道内的气体温度达到设定值，满足高温气体流量计的检定要求。

6.本发明除前端调压阀外，在被检表后端还设立一个调压阀，根据被检流量计的压力需求进行调节，该阀门和前端调压阀进行配合调节，使音速喷嘴前后端压差达到被压比要求，从而使流经音速喷嘴的气体达到音速流，满足音速喷嘴的使用条件。该设计不仅满足音速喷嘴的使用条件，而且能够满足被检流量计的工作压力需求。

7.本发明设计了一套完整的温度压力采集系统，分别在储气罐、稳流罐、滞止容器和被检表前后端设置了温度压力采集部件。能够实时的监测各部分单元的温度压力变化，并且能通过上位机的控制实时采集被检表前后端的温度压力和音速喷嘴前后端的温度压力进行计算。温度变送器的精度为0.2℃，压力变送器的精度为0.075％。

8.本发明为了避免对大气产生污染，在装置的排气口前端加装冷却装置。该冷却装置能将高温气体在排出大气之前冷却到40℃以下。确保排出的气体不对大气产生污染。该冷却装置可以根据不同流量的高温气体量标准装置进行设计安装。保证该装置在使用过程中不会对环境进行污染和影响。

附图说明

图1是本发明的一种以音速喷嘴为标准器的正压高温气体标准装置的结构示意图。

1-空气压缩机，2-风冷机组，3a-稳流罐，3b-储气管，4-第一调压阀，5a-第一过滤器，5b-第二过滤器，6-干燥机，7-第二调节阀，8-被检表单元，9-加热器，10-滞止容器，11-汇流管，12a-第一温度压力采集单元，12b-第二温度压力采集单元，12c-第三温度压力采集单元，13-冷气管道，14-音速喷嘴。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种以音速喷嘴为标准器的正压高温气体标准装置，包括：空气压缩机1、稳流容器、标准器单元、气体加热单元、被检表单元8、风冷机组2和温度压力采集单元。所述空气压缩机1的出口端通过管道连接稳流容器的入口端，稳流容器的出口端通过管道连接标准器单元的入口端。所述标准器单元由滞止容器10和多个音速喷嘴14组成，音速喷嘴14上端设有电动开关阀通过上位机控制选择喷嘴状态，从而达到选择流量的功能。滞止容器10上端设有汇流管11，产生压差，使音速喷嘴达到工作状态。检定介质进入滞止容器10后，经由多个音速喷嘴14流出后通过汇流管11进入气体加热单元，检定介质经加热后流经被检表单元8后，再通过管道进入风冷机组2。所述温度压力采集单元包括温度变送器、压力变送器和机械压力表，以采集标准器单元和被检表单元的温度和压力值。

所述稳流容器由储气罐3b和稳流罐3a组成，所述储气罐3b的入口端通过不锈钢管道连接空气压缩机1的出口端，储气罐3b的出口端通过不锈钢管道经干燥器6连接至稳流罐3a，干燥器6的入口端和出口端分别设有第一过滤器5a和第二过滤器5b，在稳流罐3a的入口端设有第一调压阀4a。不锈钢管道上配有排污阀和维修阀门等。

所述气体加热单元包括加热器9、温度采集部件、PID控制器和温度显示表。温度采集部件采集加热器炉膛内的温度发送到PID控制器，通过PID控制器对加热器进行PID调节实现检定介质的恒温。所述温度采集部件具体采用双金属温度计。

所述被检表单元包括：高温夹表器和流量计，流量计通过高温夹表器装夹固定，被检表单元外部设有保温层。被检表单元后端设有第二调压阀7根据被检的流量计的需求调节被检表单元的压力。被检表单元8的前端入口处与气体加热单元由不锈钢管道相连，被检表单元的后端出口通过不锈钢管道与风冷机组2相连。排放过程中采用冷却设计，可防止排出的高温气体对大气产生污染，在排出口前端加装的风冷机组根据装置最大流量设计安装，保证流经的高温气体在排往大气中的温度不高于40℃，实际检验排出的气体温度不超过30℃，完全达到环保的要求。

具体实施时，检定介质由空气压缩机1加压后，进入储气罐3b，储气罐压力恒定后流经第二过滤器5b、空气干燥机6和第一过滤器5a，干燥洁净的空气通过第一调压阀4a调压后，进入稳流罐3a，经过稳流后进入滞止容器10，再以一定的压力流经标准器音速喷嘴14，当检定介质从音速喷嘴14流出时，经过加热器9加热，升温到150℃-200℃，流经被检表单元8，由被检表单元后端的第二调压阀7将被检表单元8区域内压力稳定到检定要求，然后检定介质进入风冷机组2，由风冷机组2将检定介质降温到40℃以下，排出到大气。

本发明采用双级稳流结构进行稳流。空气由空气压缩机1输出后，会储存到储气罐3b中，储气罐的大小可根据装置流量的大小设计。该储气罐的压力会随着空气压缩机1的调节稳定在一个范围之内。同时，空气由于被压缩会产生温升，当开机运行一段时间后，储气罐3b的温度会恒定在一个温度范围之内，不会产生波动。当打开第一调压阀4a后，气体将会经过过滤器和干燥机流入到稳流器3a，稳流器的大小可根据装置流量的大小设计。经过一段时间运行后，稳流器内的温度压力会恒定在某个值，不会出现太大的波动，经过2级稳压和稳流，空气会以一个恒定的压力和温度流过音速喷嘴和被检表单元。

本发明的正压高温气体标准装置可以在最大工作压力下实现任意压力调节。该装置选用了两个电动调压阀为调压机构，第一调压阀安装在储气罐的后端，第一调压阀可以调节音速喷嘴前端的进气压力，第二调压阀安装在被检表单元的后端，通过调节第二调压阀可以调节音速喷嘴后端的压力，通过调节两个调压阀，可以得到音速喷嘴所需的被压比，同时也可以调节被检表检定时的压力。

本发明的正压高温气体标准装置设计为标准器部分在常温状态下工作，被检表单元在高温状态下工作。该装置高温部分选择了只在被检表单元所在区域加热，气体加热单元设有温度采集部件，可以实时监控加热器炉膛内的温度和加热器出口的温度，利用PID控制器的PID调节功能，实现检定介质的恒温。将加热器出口的温度设为所需的介质温度，PID控制器就会调节加热器主体，将温度保持在设定值，检定过程中不用人为操作。该设计避免了标准器单元加热给音速喷嘴带来的影响，音速喷嘴的所有计算都可以按照常温状态下的性能进行，方便了音速喷嘴的检定和使用。音速喷嘴的标准值可以通过气体的状态方程计算，得到被检表单元处工况条件下的密度，再通过音速喷嘴的质量流量换算出单位时间内被检表流过的累计体积，从而将标准器和被检表进行对比。

该装置采用标准器单元和被检表单元分别取温、取压设计。供设有6台温度变送器和7台压力变送器，实时监控滞止容器10、储气罐3b、稳流罐3a、汇流管、气体排出口等处的温度、压力变化。所述温度变送器和压力变送器自带4-20mA输出信号，通过模拟量采集模块将4-20mA信号转换成RS232信号送给上位机计算获得温度、压力值，并将采集的温度、压力值参与检定的计算。选用的温度变送器精度为0.2℃，压力变送器精度为0.075％。完全满足相关检定的需求。具体工作原理如下：

本装置通过上位机和下位机配合完成控制，包括对装置的动作控制、温度、压力采集，通过建立好的数学模型来判断被检表与标准器之间的差值，从而计算出误差结果。

打开空气压缩机1设定好工作压力，向储气罐内传送压缩气体，当储气罐的压力达到设定值时，上位机控制空气压缩机停止工作。根据要检定流量点，在上位机选择音速喷嘴14的个数，打开喷嘴后端开关阀，使相应的音速喷嘴14导通，在被检表单元的区域将被检表用夹表器装好，并固定上螺丝。打开夹表器前后的气动球阀，使被检表导通。

当标准器和被检表管道阀门打开，处于连导状态时。可以在上位机调节第一调压阀4a。调整进入滞止容器10空气的压力。同时调节被检表单元后端的第二调压阀7，使被检表管道内的压力保持在0.4兆帕以上。再通过调节第一调压阀4a使标准器的音速喷嘴14处于工作状态(背压比达到检定要求)。在此状态下运行5～10分钟保持储气罐、稳流罐、管道、滞止容器内的压力保持平衡。

当管道内的压力保持平衡后，则可以开启加热器9对进入被检表单元的气体进行加热，设置工作温度为0～200度之间的任意值。保持管道内空气的流通，待加热器出口温度达到设定值后再运行15～30分钟，当被检表单元温度恒定不变后，方可进行检定。

在上位机的控制下，通过第一温度压力采集单元12a，将滞止容器内的温度、压力传送到上位机。通过第二温度压力采集单元12b和第三温度压力采集单元12c将被检表区的温度、压力实时传送给上位机，上位机通过音速喷嘴的流出系数和喉径，计算出音速喷嘴的质量流量，在通过检定过程中温度、压力的平均值，利用气体状态方程计算出被检表处气体的密度，从而计算出设定时间内，被检表处标准器的体积。通过被检表发出的信号计算出被检表在设定时间内流过的气体体积，进过对比计算出差值，最后判断出检定结果或校准结果。

当检定完成后，打开冷气管道13的阀门，使未经加热的常温空气进入被检表管道，将被检表冷却至常温，方可取下被检表。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。