液体流量标准装置稳压罐的设计
摘要
针对液体流量标准装置，从提高装置不确定度等级和改进装置流量稳定性方面出发，开展研究。主要内容包括:分析影响装置不确定度的主要因素，并针对目前存在的问题进行改进;研究装置流量稳定性的评估方法，探索由管道中压力值反映流量变化的可行性，并进行实流实验;对影响流量稳定性的装置关键部件—稳压罐进行理论分析和计算。
本文主要完成了以下工作:
1.针对影响静态质量法水流量标准装置不确定度的主要因素，提出了解决办法。
2.对流量装置检定规程中流量稳定性评估方法进行了比较分析。
3.对稳压罐进行了分析和计算，并对DN32mm入口稳压罐的结构和尺寸
进行了详细设计。
关键词:流量标准装置;流量稳定性;不确定度;稳压罐。
章节安排
论文各部分组织结构如下:
第一章绪论。在对流量标准装置进行介绍的基础上，分析了水流量标注装置的研究现状，分析了影响水流量标准装置性能的主要因素。
第二章水流量标准装置稳压罐分析及理论计算。对稳压容器的多种形式进行了分析，根据水泵出口条件计算了稳压罐外形尺寸，及多孔隔板的面积比、孔径大小及孔距等。
第三章总结与建议。对课题所完成的各项工作进行简要总结，并对今后研究工作开展的方向和主要解决的问题提出建议。
第一章绪论
1.1流量标准装置概述
流量计量是计量科学的重要组成部分。流量计量与测试技术在贸易结算、能量计量、过程控制、环境保护、医药卫生等方面起到了重要作用。近年来随着西气东输、南水北调等国家重点工程的启动，全社会对流量计量与测试技术的要求越来越高。因此研究和探索满足各种使用条件的流量测试技术并提高测量准确度就成为科研工作者的重任。
流量计量是实现流量单位统一，量值准确可靠的活动，它包括:研究适应不同情况下的流量测量方法及相应的流量计量仪表;建立流量检定、校准装置;确定国家流量量值传递系统;进行流量标准装置的国际比对及国内比对;制定流量标准装置及流量计检定规程，实施流量计检定及校准等。
在测量流量时所选用的流量计，除要满足使用条件外，还要考虑很多其他因素，如流量范围、准确度、抗干扰、压力损失、耐腐蚀性、防爆、价格等。为适应不同介质和环境条件，不同使用要求，各种计量仪表应运而生。据统计流量计种类达100余种，而且每种流量计都有其独特的应用价值。
为保证流量仪表质量，在计量系统和各流量计生产企业均建立了不同介质、不同范围、不同精度的流量标准装置。因此流量标准装置的研究、建立和应用也是流量计量和测试技术发展的主要环节，目前己引起国内外的普遍重视。
1.1.1流量计量器具量值传递系统
流量计量器具传递单位量值的程序和准确度都是有检定系统规定的。流量单位量值是按照不同准确度的计量器具所组成的不连续的等级进行的。每一相邻的等级必须遵循不相等的原则，即δi+1 >δi。其中，δ为流量复现的准确度，i为准确度等级序号。
一等液体流量标准装置(又称工作基准器组)不确定度为(( 0.03～0.05 )%；二等液体流量标准装置不确定度为(0.1～0.2 )%；三等液体流量标准装置不确定度为±0.5。一等液体流量标准装置是由国家基准器用直接比较法进行量值传递;二、三等液体流量标准也可以用直接比较法检定，也可用质量法或容积法直接比较的方法进行检定和标定。上述标准的检定都是根据JJG 164-2000液体流量标准装置检定规程方法进行。
1.1.2流量标准装置分类
目前人们对流量标准装置分类的认识不一，常见分类方法有:按测量方法分为静态法和动态法;按稳压源种类分为水塔稳压法、容器稳压法和调频法;按计量器具分为称重法、容积法和标准表法;按标准装置分为原始标准和传递标准;按测量介质分为水、气、油其它介质等。
原始标准装置(也称一次标准)，是依据流量的基本定义予以实施的装置，即容积V或质量m作为原始度量依据，结合时间t测量，可以得到体积流量或质量流量。
传递标准装置(又称次级标准)一般是通过原始标准流量装置进行量值传递，具有良好重复性及稳定性的流量计。采用这种经传递的标准流量计实现现场流量计校验，它是原始标准和现场工作流量计之间的中间环节，以此可以避免原始标准流量装置频繁使用，保证原始标准的高准确度。另一方面，在使用中，传递标准装置要比原始标准装置简单、方便，提高了工效。但是，传递标准装置需要定期进行周检，这样才能保证传递标准的准确度和可靠性。
1.1.3流量标准装置用途
（1）作为流量单位量值统一与传递标准，确保各地区和部门的流量量值统一在一个标准量值上。
（2）进行标准流量计的型式、性能实验研究，确定准确度等级、流量范围度、承受过载能力、仪表可靠性与寿命、重复性等。另外，研究仪表动态特性，以便对仪表进行合理设计，进一步考虑仪表适应的环境条件。
（3）研究参比条件和实际使用条件之间的差异对仪表准确度影响，采用合理的介质换算和修正方法。
（4）做仲裁工作。
（5）制定国家(或企业)标准和计量检定规程时，研究测试方法并进行数据验证。
（6）进行国内外比对工作，确定系统不确定度、修正量值。
1.2水流量标准装置研究现状
1.2.1水流量标准装置结构和原理
（1）静态质量法水流量标准装置的结构和原理
静态质量法水流量标准装置的结构如图1-1所示。其工作原理是:按要求将被检流量计安装到实验管路中，启动水泵，将水池中的水抽入稳压罐，当流量稳定后，依次开启检定管线上气动球阀和调节阀，使水经过被检流量计、换向器和旁通管路流入水池;开始检定时，操作调节阀将流量调至所需流量后，启动换向器使水由旁通管路换入称量容器，同时触发计时、计数系统开始记录被检流量计示值和测量时间:当达到预定水量时，操作换向器，使水由称量容器换入旁通管路，同时停止流量计和计时器信号记录;比较电子秤的称量值和被检流量计的输出流量值，从而确定被检流量计的计量特性。
图1-1
根据工作量器测量的液体质量和测量时间计算瞬时质量流量:
qm=
式中: qm－瞬时质量流量，kg/s;
m－测量时间内称量容器内的液体质量，kg;
t －测量时间，s;
cf一浮力修正系数。
(2)标准表法液体流量标准装置结构和原理
标准表法水流量标准装置一般由标准表、实验管路、循环系统、稳压系统、控制设备、数据采集处理系统等组成，如图1-2所示，由于不使用工作量器所以工作效率较高，涡轮流量计和电磁流量计因其性能优势多被当作标准表使用。装置在静态质量法基础上稍加改动即可，但检定周期较短，一般静态质量法检定周期为三年，标准表法多为一年或更短(和标准表的准确度有关)。
流量计检定时，首先按照被检流量计的检定流量点，打开己选标准表前后的阀门及被测流量计的切断阀，然后用调节阀将流量调节到检定流量点，稳定一段时间。然后开始测量，测量开始后同时记录已选标准表和被检表的输出值，经过一定时间后同时停止记录。比较两者测量的流量值，从而确定被检流量计的计量性能。
图1-2
标准表法水流量标准装置基于流体力学连续性方程，以n个电磁流量计为标准器，使水在某个流量连续通过电磁流量计和实验管路，此时标准表法水流量标准装置给出的瞬时体积流量按下式计算:
其中:qv－瞬时体积流量，m3/h;
qw－第w台电磁流量计的流量。m3/h
标准表法水流量标准装置的累计体积流量按下式计算:
QV=qv×t
其中: Qv ：累积流量，m3
1.2.2静态法水流量标准装置主要性能指标
静态质量法流量源恒压，流量稳定，测量精度较高。
随着计算机技术和微电子器件的不断发展，流量计在其测量准确度、灵敏度和可靠性程度上有了质的飞跃。对于流量计量来说，各种流量标准装置是实施计量服务的主要手段，其功能、精度与先进程度就显得至关重要。因此对流量计检定装置提出了更高的要求。流量装置的准确度作为装置最主要的性能指标，己受到了广泛重视，流量计量与测试工作者把追求高准确度当成目标，流量标准装置的准确度已达到了很高的水平。
流量装置的准确度，有0.05%、 0.1%、0.2%、0.5%等几个等级，我国专门颁布了流量标准装置检定规程。
由流量基本定义，只有流量在整个流动过程中保持恒定的条件下才有可能用代替，从而才具有直接测量△V和△t的可能，只有在提高装置循环系统稳定性的条件下才有实效。凡是以动能、动量、动量矩的原理设计开发的流量计，在建立基本方程式时.都是假定液体处于稳定流(定常流)的状态中，是由稳定流动的伯努利方程和连续性方程式导出。装置流量不稳定会造成流量仪表常数(或系数)严重偏离真值。
装置的流量稳定性是很重要的一个参数。在超声、涡轮、涡街和电磁流量计检定规程中，都规定重复性为基本允许误差的1/3～1/5，如果流量标准装置流量稳定性没有量化要求，是很难满足被检流量计重复性要求的。如果规定重复性不超过相应准确度等级规定的最大允许误差的1/5，例如0.2级超声流量计，重复性应是0.04%,若装置流量稳定性不佳就很难满足这个要求。流量标准装置准确度等级及流量稳定度规定如表1-1所示.
表1-1
流量稳定性会导致流量量值不能统一和准确一致。有的装置扩展不确定度为0.05%,而流量 稳定性却是0.2%～0.3%，但也有的装置有0.05%甚至更高的流量稳定性，这就会给流量量值的统一、准确一致带来较大影响，可能会造成流量量值的混乱.
根据流量装置检定流量计对象的不同，应规定其流量稳定性(重复性)等于或小于流量计的重复性指标。
1.2.3水流量标准装置性能影响因素
水流量标准装置的性能主要由准确度(不确定度)、重复性和稳定性决定。
评定不确定度，是为了得到整个测量(检定、测试或校准)过程的统计学规律，由观测列的统计分析评定出的被测量值的分散程度。标准不确定度，是对包含“标准装置”和“被测对象”在内的整个测量来讲的，是对测量结果离散性的评定。标准不确定度，受被测量值变化的影响，而标准装置的重复性与工作中被测量值无关。
装置的不确定度由装置中各个环节的不确定度合成得到，装置中每一个环节的不确定度都会影响整个装置的性能，其中主要的影响因素为由计时器决定的时间测量不确定度、由衡器决定的液体质量测量不确定度和由换向器引起的给出流量的不确定度。
评定标准装置的重复性，是为了考核标准装置的变化，通过对某一不变量的多次独立测量，使用统计数据的方差来表征测量仪器(标准装置)显示值的分散程度。标准装置重复性的测量，是以一个“不变的量”作为基础，对“装置”进行评估，由于在现实中不存在绝对不变的量，所以，应采用变化量小于“装置”允许最大变化量的1/5～1/10的量值，作为评定重复性的那个“不变的量”。
不确定度形成的机理是测量设备、测量环境、测量人员、测量方法和被测对象。而标准装置的重复性则只包含测量设备本身的影响。不确定度包含标准装置的重复性，标准装置重复性的评定值，一般会小于标准不确定度的评定值。
装置流量稳定性反映流量随时间变化的程度，由于电网供电参数波动或液泵本身性能而引起的液泵出口压力变化，产生流量波动，对流量测量带来一定的误差。
按照流量标准装置检定规程，装置不确定度主要由时间、换向器、电子秤决定：只要选择了良好的换向器、电子秤和时间测量仪表，装置达到较好的不确定度是比较容易的。但流量稳定性则不容易。因稳定性与许多因素有关。以往主要是重视压力稳定，其实与水泵、管道、阀门、自动调节系统都有密切关系。
装置流量稳定性，很大程度上取决于压力源的稳定程度。怎样解决液体流量标定装置的稳压问题是这几年国内外一直研究探讨的问题。目前，国外高水平液体流量标定装置的稳压普遍采用水塔溢流稳压法，取得了比较理想的效果。但溢流稳压对环境和场地有比较高的要求，且成本较高。在国内新建的装置一般很少采用这种方法。国内比较常用的稳压方式有三种:水塔稳压法、容器稳压法和变频调速法。其中水塔稳压法易达到较好的压力稳定效果:容器稳压法流量稳定性较差;变频调速的方法主要取决于电源频率的变化。目前应用较多的是变频调速水泵加稳压容器的方法。
1.3论文研究内容及创新点
本文主要研究内容:
(1)分析比较现行国家标准、装置检定规程中流量稳定性评估方法的异同。研究实验室现有容器稳压法静态质量法水流量标准装置的流量稳定性，探索新的更为科学高效的流量稳定性评估方法。
(2)分析比较现有装置稳压方法的优缺点，针对变频加稳压罐稳压方法研究稳压罐的设计;对稳压罐研究现状进行分析，研究稳压罐设计原理、计算公式、设计原则、及具体步骤;对DN150mm入口管道稳压罐结构和几何尺寸进行详细设计。
第二章 水流量标准装置稳压罐分析及理论计算
流量稳定性，是流量标定装置的一项重要性能参数，在JJG 164-2000液体流量标准装置检定规程和JJG643-2003标准表法流量标准装置检定规程中均作为一项单独的指标列出。在检定流量计时，流量计的重复性直接和装置的流量稳定性相关联。另外，在检定差压类(节流式)流量仪表时，计算被检表的不确定度，必须考虑装置流量稳定性误差的影响。因此，水流量标准装置的流量稳定性是一项不容忽视的重要指标。它受多方面因素影响，如电源电压或频率不稳引起离心泵转速变化导致泵出口压力变化，使流量不稳;另外，离心泵叶轮高速旋转，会使泵出口产生纵向高频机械振动，影响出口流量，产生流量波动等:这些都直接影响流体流动的稳定性，直接影响装置流量稳定性和不确定度。
2.1稳压器比较和选择
2.1.1稳压方式比较
装置流量稳定性，很大程度上取决于压力源的稳定程度。如何解决液体流量标准装置的稳压问题，是近年来国内外研究探讨的热点问题，也是设计流量装置的难点之一。目前，国外高精液体流量标准装置普遍采用溢流水塔稳压法，取得了比较理想的效果。但是溢流水塔稳压对环境和场地要求较高，且成本较高。国内新建的装置一般很少采用这种方法。国内外较常用的稳压方式有3种：
(1)水塔稳压法
利用重力原理，通过保持水塔中液位恒定保持压力不变，实现稳压液流的目的。此方法易达到较高压力稳定效果，各国流量装置多采用此种方法。由于液源压力受到水塔高度限制，所以压力不会很高，一般在4×105Pa以下。因此对一定的管道来说，雷诺数较低。想提高雷诺数数量级很困难，为满足功能齐全，检定各种流量计的要求，需要精心设计和计算。水塔造价高、电能耗大，因此用于中小流量装置比较理想.
(2)容器稳压法
稳压容器为密闭容器，上部为气体，下部为实验液体，通过气路的闭环调节
使液面稳定，实现稳压。此方法能使液源压力提高，但是流量稳定性较差。
(3)变频调速法
由于液泵流量的变化主要取决于电源频率的变化，所以稳压就变为稳频。虽然水塔稳压具有建造周期长、投资多、不便于搬迁和压力水头有限等缺点，但由于其具有较高的流量稳定性，仍被国外高性能流量装置普遍采用，如德国PTB。目前，变频加稳压容器稳压的流量稳定性仍与水塔稳压具有一定差距，但其具有建造费用低、占地面积小、压力范围大和流量范围宽等优点，被国内新建装置广泛采用。容器稳压和变频调速相结合的稳压方法综合性价比较高，这种方法用稳压容器和水泵变频调节系统来实现，雷诺数能够提高，采用变频调节可简化调节系统，易于控制而且节约电能。
2.1.2变频容器稳压法的原理及需解决的问题
通过变频稳压实现第一级稳压，用稳压罐作为第2级稳压，根据变频器的调频稳压性能，把供电频率调节到所需的频率，使供电频率在0～48Hz，保证电网供电电压稳定在38±2 VAC，解决电源波动引起离心泵电机运行不稳定所导致的泵出口流量不稳问题。稳压罐稳压对流体压力有平均、缓冲和吸收脉动的功能。在液体充满稳压罐2/3左右时，施加稳定气体压力，保证稳压罐内压力一定，实现稳压。使用两种方法结合取得了较好的稳压效果。
用变频容器稳压法要解决的问题是合理设计稳压容器、选择最佳变频器和实验段管路。稳压器合理设计是极其重要的，如果容器设计过大，会造成很大浪费；如果设计过小，将会影响稳压效果，重点参考国内现有装置，优先保证中小装置的准确度。其次是如何确定水池有效容积。容积大小，是在设计流量下，由水池水位变化影响压头变化来控制，水池中气泡有充足的时间外放，不至于把空气再流入系统而影响装置稳定性。
水泵电机电源电压和频率不稳引起离心泵转速变化，导致泵出口压力变化引起系统流量不稳定，可达±1%；离心泵叶轮高速旋转，会使泵出口产生高频机械振动影响出口流量，产生流量波动，可达±5%;装置管路中的水击现象、局部流速的剧烈变化等也会造成流动不稳定。这些都直接影响装置的流量稳定性。稳压容器的作用是对上述因素造成的流量波动进行缓冲，并对水中的气泡进行充分过滤和释放。
2.1.3稳压容器主要功能
稳压容器是利用密闭压力罐内空气的压缩性和罐内设置的隔板来缓冲流量波动的一种装置。变频器根据稳压容器出口流量变化及容器内液位变化调节水泵转速。如果水泵匀速运转且容器入口流量等于出口流量时，整个稳压系统处于稳定流动。此时稳压容器中空气压强或液位只受水流紊动影响，为减少这种影响，系统运转前给稳压容器中空气加压，使其形成“气塞”即容器水面上受一个刚度很大的“强力弹簧”的作用，它可使容器内水位波动大大减少，使稳压系统中的压力稳定性得到改善。当容器入口流量不等于出口流量时，如检定流量点变化或电网中电压改变，稳压系统中出现了新的不稳定流动，稳压容器水位立即发生变化，空气压强也随之变化，变频器调节水泵转速直到运转在新的工作点，整个稳压系统又出现新的稳定流动状态。在稳压系统中，即便入口、出口流量相等，因紊流脉动作用压力未必稳定。稳压容器中气塞稳压仅改变其外部条件，而水流内部条件的改善也不可忽视。由于水流产生的许多大小不等的涡体相互混杂着前进，它们的位置、形态、转速都在时刻不断地变化着，因此当一系列参差不齐的涡体连续通过紊流中某一定点时，必然会反映出该点瞬时运动要素如流速、压强等随时间发生波动的现象。而且涡体最容易形成的地方如祸体发源地也就是紊动最大的处所。容器内正是水流局部边界发生变化、祸体从生之处，故稳压容器内需要采取整流措施，使涡体远离容器水面和出水管口。
2.2 稳压罐理论计算
2.2.1稳压罐容积及外观尺寸计算
1.主要设计参数
实验管段：d=4～15mm
最大流量：qv=6m3/h
最大压力：0.5MPa
压力波动：δp＜0.1%
2.设计原则和要求
(1)水流量标准装置流量稳定度在±0.1%～±0.2%的范围内。
(2)隔板位于容器直径的1/3处。
(3)流体流出隔层的速度v≤0.16m/s。
(4)网格的截面积为10S进水管
(5)水位高度Hx＞10D进水管。
3.设计计算的理论基础
一般设计稳压罐时，把稳压容器当作是阻流环节，进口压力P1，出口压力为P2，通过阻流环节的流量为:
qv=0.7854d2v
4.设计计算DN32 mm稳压罐
（1）计算最小气容积
计算最小气容积，当qvmax=6m3/h时，泵出口流量波动为5%，稳压罐的压力波动量小于0.1%，最小气容积为
(2) 计算稳压罐横截面积
稳压罐入口管路直径D进水=32 mm
根据设计原则，h=D/3，则
；
2.2.2稳压罐内部多孔横隔板计算的理论基础
稳压罐内部设计结构如图2-1所示，在进水口上方到竖隔板顶端的空间内,等距离放置3块多孔横隔板，自下向上分别为第一层、第二层和第三层隔板。
图2-1
2.2.3稳压罐设计与计算步骤
稳压罐结构设计，步骤如下:
1.根据水泵出口和装置进口管段的直径确定稳压罐进水口和出水口管径。从本文实际情况出发，确定稳压罐进水口管径为32 mm，稳压罐出口管径25 mm。
2.根据水泵输出确定最大流量，本文最大流量为6m3/h 。
3.根据最大流量，泵出口流量波动，稳压罐的压力波动量，计算最小气容积。
4.根据进水口管径计算进水口面积S进水=0.0008042m2
5.确定多孔隔板厚度l，本文设定l=5mm
6.多孔隔板设计过程为:根据流体流通面积与孔板面积比，查表得出孔板厚度与孔直径比，确定板上开孔直径。
7.根据平均分布格式，按照矩阵布置，认为S1=S2计算孔与孔之间距离。
8.由于多孔隔板上流体流通面积设计为进水口面积的l0倍，则孔板上流体通过的面积是确定量，根据面积比可以计算出孔板的总面积。
9.由多孔隔板总面积可计算出流体进入稳压罐后的流速，根据下式，流体流出隔层的速度已知，可计算出液面距离竖隔板顶端的高度
10.稳压罐的高度由4部分构成，(1)气空间高度;(2)液面距离竖隔板顶端的距离;(3)进水口中心线距离竖隔板顶端的距离;(4)进水口距离下端罐底的高度。其中气空间高度由最小气容积及罐体直径计算得出:液面距离竖隔板顶端的距离由公式计算得出;进水口中心线距离竖隔板顶端的高度为10D进水;进水管中心线距离罐底距离被认为是无效高度，本文取进水管中心线距罐体圆筒与封头连接线的高度为，50 mm。
11.竖隔板位于罐体直径1/3处，垂直于进水管:在进水口到竖隔板顶端的距离内，3个横隔板等距离分布。
2.3本章小结
本章主要对稳压容器进行了比较，分析了选取变频加稳压罐进行稳压的原因，对稳压罐研究现状进行了分析，介绍了设计稳压罐的原理、计算公式、及详细步骤，说明了设计原则。
第三章总结与建议
本文针对静态质量法水流量标准装置开展研究，从提高装置不确定度等级和改进流量稳定性方面出发，研究了影响装置不确定度和流量稳定性的因素。主要内容包括:分析影响装置不确定度的主要因素，针对通博集团现有水流量装置存在的问题进行改进:研究流量稳定性的评估方法;探索由管道中压力值反映流量变化的可行性，并进行实流实验;对影响流量稳定性的装置主要部件一稳压罐进行分析和计算。
3.1总结
本文主要完成了以下工作:
1. 针对影响静态质量法水流量标准装置不确定度的主要因素，分别提出了解决办法。对衡器，不确定度只能依靠购买不确定度等级更高的衡器来解决;对计时器不确定度，依靠改进测控软件，采用新的计时方法，通过访问计算机获得计算机系统时间，提高了计时器的不确定度等级:对换向器，分析了影响换向器不确定度的主要因素。
2. 对装置稳压方法进行了比较，认为选取变频加稳压罐进行稳压具有较高的综合性价比;对稳压罐研究现状进行了分析;介绍了稳压罐设计的原理及计算公式，说明了设计原则，及具体步骤;对)N32mm入口管道稳压罐的结构和几何尺寸进行了详细设计。
3.2建议
对稳压罐不确定度和稳定性的研究已取得了一些阶段性成果，但在许多方面还有待完善，建议在本文研究的基础上继续在以下几个方面开展进一步的工作:
1.本文对装置不确定度影响因素的分析具有通用性，但本文的改进方法并不一定适用于所有装置，尚有推广局限性，建议多研究一些装置的改进方法，总结出通用的改进方法并加以推广.深入研究现行标准、规程中流量稳定性评估公式的推导过程。