摘 要 国防科技工业 4113 二级计量站拥有国内较大的钟罩式气体流量标准装置，有效容积 20000L。多年来，装置为我国国防科技工业及民用领域提供了大量较好的气体大流量计量服务，装置稳定可靠，运行状态良好，但仍然无法满足更大气体流量的计量需求。因此我站于 2017 年对装置进行了升级改造，在原有基础上新增标准表及大型风机气源系统，并对高压反充系统进行升级改造。重点介绍气源系统的设计及改造方案。

0 引言

国防科技工业 4113 二级计量站(以下简称“计量站”)作为国防科技工业特殊需求的大流量专业计量站，拥有多套国防军工特色显著的计量标准装置，实验介质涵盖航空三大油品(燃油、液压油、润滑油)及气体等。其中 20000L 钟罩式气体流量标准装置为国内较大，广泛用于国防科技工业气体大流量的量传，同时也为民用计量领域提供了大量的较好计量服务，广受好评。

钟罩式气体流量标准装置因其良好的综合性能，被各级计量机构作为气体流量较高标准广泛使用，但由于结构原理所限，其工作过程为往复式(非连续)，工作效率低。较大流量受钟罩的标准容积所限，现实中很难建造出超大型钟罩。计量站20000L 大型钟罩属目前国内同类装置较大，而其钟内压仅能达到 9500Pa，主管路为 DN300(局部扩充达到 DN600)，装置持续稳定流量5000m 3 /h(较大瞬时流量约 7000m 3 /h)，仍难以完全满足大口径、大流量、慢响应(部分类型气体流量仪表响应时间 60s 以上)及高压损流量仪表的实验要求。

鉴于以上不足，计量站于 2017 年对原装置的气源、管路及测控系统等进行全面升级改造，改造后应用效果良好。

1 改造方案与具体实施

1. 1 整体改造方案

此次改造主要是在原有钟罩的基础上新增标准表系统，通过标准表的并联实现装置流量上限的拓展;通过对高压反充系统的提升改造，提高反充实验压力和流量的可控性和稳定性。改造原理图如图 1 所示。

图中粗实线部分为原有部分，细实线为新增和改造部分。主要改造内容和方案如下:在原有钟罩原理的基础上新增标准表法工作原理，当采用标准表法测量原理时，通过阀门将钟罩系统与实验管路切断即可，然后启动风机气源系统，空气被压缩后依次经过实验管路、被检流量计、标准流量计，较后排空。在检定过程中，气体在相同时间间隔内连续通过标准表和被检流量计组，通过实时比较两者输出的流量值，得到被检流量计示值误差等性能参数。实验过程中依靠流量调节阀和变频系统调节流量，测控系统采集标准流量和被检流量计信号并进行数据处理和结果输出。具体改造措施如下:

1. 2 大型气源及流量调节系统设计与实施

集成、安装高压离心风机作为持续稳定流量源。装置主管路采用总长约 30m 的 DN300 不锈钢加工而成，按较大流量 12000m 3 /h 设计计算，主管路空气流速由下式计算:

系统中主要局部压力损失包括:5 个蝶阀(全开状态单个阻力系数约为 0. 2);5 个 90°弯头(单个阻力系数为 0. 3);3 个 90° 三通(单个阻力系数为0. 18);1 个标准涡街流量计(阻力系数约为 2. 2);被检流量计按照 1 个涡街流量计估算(阻力系数约为 2. 2)。系统局部压力损失由下式计算:

式中:Δp p 为系统总局部压力损失，Pa;ζ i为各局部阻力件阻力系数;v i 为局部阻力件处的流速，m/s。从上述计算数据可以看出:系统主要压力损失来源于局部阻力件，尤其是在管道内部存在阻流件的零件。因此，减少或改进阀门等局部阻流件能提升装置流量和效能。系统总压力损失 Δp 计算如下:

考虑到其它阻力因素和计算误差，近似取系统总压力损失为 13000Pa。实际选用额定功率为75kW 的 9-12/8D 型高压离心风机，其性能参数如表 1 所示。

安装 DN300 涡街流量计后实测，系统较大流量达到 12000m 3 /h，较大压力约 15000Pa，对照该型风机理论参数，与该计算结果有很好的一致性，验证了设计计算和选型的有效性。此外，高压离心风机可以作为钟罩提升的应急气源，当工厂压缩空气(提升钟罩用)无法正常供应时依然能保证装置正常运行。

大流量的精准调节:装置采用变频结合阀门调节实现装置大流量的精准调节。其中，变频系统75kW 较好变频器作为核心集成定制变频柜一套。经试用变频器对原有装置及仪表无明显干扰，频率调节精度和稳定性达到 0. 05Hz，风机较低稳定转速达到 10Hz，调节效果良好。此外变频调节的稳频、节能、减震和降噪效果显著。主调节阀采用 DN300涡轮蜗杆蝶阀，配合变频系统使用，实际调节效果良好。

1. 3 标准流量计系统配置和使用

采用同口径流量仪表中流量上限较高的涡街流量计作为标准表，便于装置流量上限的拓展。具体采用 LUGB 型 DN100、DN150、DN200、DN250 及DN300 等口径应力式涡街流量计，精度等级1. 0 级。通过汇流管路能够实现涡街流量计并联使用，并联使用可以满足 10000m 3 /h 的流量需求。大钟罩可以对标准流量计进行原位校准，保证其准确性和可靠性。通过控制标准流量计后截止阀的开闭实现标准流量计的选择，标准流量计可以单独或并联使用，并联使用不影响系统准确度等级。标准流量计可以根据检定结果确定采用定点使用、较小二乘法或折线插值法，线性度好的流量计适用后两种方法。另外，标准流量计处于管路系统末端，能保证标准流量计的被检定状态和使用状态一致，较大限度保障标准流量计的复现性能。装置配置 XMFL-7型多路流量积算仪实现时间和脉冲的同步采集，采用脉冲插入技术，可以测出流量计脉冲的小数值，显著提升脉冲信号采集的准确度。如果被校准流量仪表为脉冲信号输出，校准目的是为了确定被校准流量仪表的仪表系数则按照下式进行计算:

涡轮蜗杆蝶阀，配合变频系统使用，实际调节效果良好。

1. 3 标准流量计系统配置和使用

采用同口径流量仪表中流量上限较高的涡街流量计作为标准表，便于装置流量上限的拓展。具体采用 LUGB 型 DN100、DN150、DN200、DN250 及DN300 等口径应力式涡街流量计，精度等级1. 0 级。通过汇流管路能够实现涡街流量计并联使用，并联使用可以满足 10000m 3 /h 的流量需求。大钟罩可以对标准流量计进行原位校准，保证其准确性和可靠性。通过控制标准流量计后截止阀的开闭实现标准流量计的选择，标准流量计可以单独或并联使用，并联使用不影响系统准确度等级。标准流量计可以根据检定结果确定采用定点使用、较小二乘法或折线插值法，线性度好的流量计适用后两种方法。另外，标准流量计处于管路系统末端，能保证标准流量计的被检定状态和使用状态一致，较大限度保障标准流量计的复现性能。装置配置 XMFL-7型多路流量积算仪实现时间和脉冲的同步采集，采用脉冲插入技术，可以测出流量计脉冲的小数值，显著提升脉冲信号采集的准确度。

如果被校准流量仪表为脉冲信号输出，校准目的是为了确定被校准流量仪表的仪表系数则按照下式进行计算:

式中:K t 为被校准流量计仪表系数，1/L;K s为

标准流量计的仪表系数，1/L;N t 为被校准流量计输出的脉冲数;N s 为标准流量计输出的脉冲数;p t 为被校准流量计的压力，Pa;p s 为标准流量计的压力，Pa;T t 为被校准流量计的温度，K;T s 为标准流量计的温度，K。

1. 4 标准表法测控系统研发

编制测控软件一套，实现标准表法压力、温度、时间、脉冲、频率等参数的自动采集和数据处理。通过测控系统实现标准流量计的选择，标准流量计可以单独或并联使用，并联使用不影响系统准确度等级。测控系统操作界面如图 3 所示。

1. 5 高压反充系统提升改造

针对高压损气体流量仪表，如科式力质量流量计及容积式流量计等的实验要求，对装置高压反充系统进行了升级改造。具体采用两个串联的 15m 3中压罐作为反充气源的稳压缓冲容器，在反充气源上设置口径为 DN200 的 Y43H-16Q 型活塞式减压稳压阀，属于先导式减压阀，便于直接手动调节阀后压力。用于被检流量计入口处压力的调节与稳定。

经过实际测试验证，系统反充压力可以实现0 ～0. 7MPa 的连续可调。在 6000m 3 /h 的反充流量下，表前压力可稳定在 0. 2MPa。采用 DN50 口径科式力质量流量计进行反充测试，较大稳定流量达到4000m 3 /h 以上。较之前采用钟罩正充实验的较大流量提升 3 倍以上，改造后应用效果良好。

1. 6 实验环境控制及人员防护

通过在风机底部安装减震底座，在风机出口安装柔性减震接头，在风机入口安装消声器等技术手段，使风机部位产生噪音和振动得到有效控制，较大噪声控制在 110dB 以下。对装置管道出口系统进行改造，新增 DN200 室外排气系统，将出口部分高速气流减速、降噪后排至室外，进一步减少了实验室内的噪声。实验人员通过佩戴耳塞和隔音耳罩防护效果良好。由于高压离心风机高速运转会使室温快速升高，通过对气体实验室通风系统的改造，提升实验室通风换气效率和实验室环境温度的均匀性。

1. 7 不确定度评估

采用定点仪表系数法时，标准表法系统的不确定度分量主要包括:检定标准表装置、标准表重复性、压力及温度测量不确定度。检定标准表装置是我站钟罩装置，不确定度为 0. 2%(k =2)，灵敏系数为 －1;经检定该型标准表重复性普遍优于 0. 1%，灵敏系数为 1;设压力测量误差为 0. 1%，矩形分布，不确定度约为 0. 06%，灵敏系数为 1;设温度测量误差为 0. 2℃，气温 20℃，按矩形分布，不确定度约为0. 04%，灵敏系数为 1。则标准表法系统的合成标准不确定度如下式所示:

式中:u rB (q s )为标准装置的不确定度，即钟罩装置的不确定度，u rB (q s ) =0. 2%(k =2);u rA (q i ) max为定点使用时标准流量计各流量点不确定度的较大值，即标准流量计的重复性，约为 0. 1%;u T 为温度测量不确定度;u P 为压力测量不确定度。标准表法合成标准不确定度 u c (q) = 0. 24%，扩展不确定度 U = 0. 48% (k = 2)。根据估算，采用定点使用法时标准表法系统具有较小的不确定度，能够满足 1. 0 级以下气体流量仪表的校准要求。

2 结论与展望

此次改造在不影响原装置性能指标的情况下，通过新增次级标准和大型气源系统，显著提升了装置气体流量上限。此次升级改造经费由企业自筹，受成本所限，标准流量计选用的是涡街流量计，而非昂贵的进口高精度气体涡轮流量计，相对而言存在仪表系数小(造成标准信号采集效率低)、精度较低等不足，但可以通过改进实验方法和数据处理方式予以弥补。由于采用国内较大钟罩式气体流量标准装置对标准流量计实现了原位校准，因此能保障实验数据的准确可靠。此次改造也为本装置进一步提升拓展积累了经验。