摘 要:根據傳統鐘罩式氣體流量標準裝置的結構特點，結合當前檢測或科研工作的擴展需求，設計可變工況型鐘罩式氣體流量標準裝置，給出設計思路，包括可變流量范圍、可變壓力范圍、可變溫度范圍、可變信號接收方式等方面，提出具體設計方案，以滿足工作需求。有利于改進現有裝置的不足，設計出功能更為強大的新型鐘罩裝置，為標準裝置的產業化打下基礎。

 

    引言

    鐘罩式氣體流量標準裝置屬于氣體流量標準裝置的一種，是以氣體為介質，對氣體流量計進行檢定、校準和檢驗的標準裝置，它應用較早，主要用于企事業實驗室、第三方技術機構。傳統鐘罩裝置結構如圖 1 所示。

 

 

    對于傳統鐘罩式氣體流量標準裝置，其流量范圍、壓力范圍、溫度范圍、信號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) ℃ ; 信號接收方式: 電壓脈沖與( 4 ～ 20) mA電流模擬信號等。對于當前檢測或科研工作中的擴展需求，固定工況型鐘罩裝置已經不能滿足要求。 

 

    1 擴展需求

    1. 1 流量范圍需求

    對于一臺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的被檢器檢測。對于流量上限過大或流量下限過小的被檢器，無法滿足檢測要求。 

 

    1. 2 壓力需求

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

 

    1. 3 溫度需求

    傳統鐘罩裝置的設計理論、組件及設備配置，均適用在常溫狀態。當檢測氣體質量流量計等對溫度敏感的被檢器或開展某種特定溫度下的科學實驗，常溫型的鐘罩裝置顯然無法滿足工作要求。此時需要提供的氣體溫度可能遠遠偏離溫室，例如要求15℃下對某流量計進行示值誤差試驗時。 

 

    1. 4 信號接收方式需求表

    除了常用的電壓脈沖與( 4 ～ 20) mA 電流模擬信號以外，還有很多儀表信號制式; 隨著計算機遠程通訊及網絡技術的進步，各種現場總線甚至無線信息傳輸的方式也應運而生，因此必須增加新的信號接收裝置加以適應。 

 

    2 設計思路

    根據傳統鐘罩裝置的流量范圍、壓力范圍、溫度范圍、信號接收方式，設計改進其中的一種或幾種，使其可以選擇的信號范圍和種類更多，這稱之為可變工況。

 

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

 

 

 

    傳統鐘罩裝置一般均為正吹法管線，如圖 3 所 示; 而反吹法管線設計方式可以實現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、反吹法管線設計在同一套鐘罩裝置上，即實現了可變的試驗壓力范圍。如圖5 所示，兩種方法根據需要通過閥門手動或自動進行切換。

 

 

    另外，可以通過增加氣體溫度調節組件的方式來實現溫度可變調節，如圖 6 所示。

 

    現場總線( Field bus) 是近年來迅速發展起來的一種工業數據總線，它主要用于工業現場的智能化儀器儀表與高級控制系統之間的信息傳遞問題。由于現場總線簡單、可靠、經濟實用，因而近年來在計算機和儀表廠商中得到了廣泛應用。可通過增加對現場總線信號的支持來擴展鐘罩裝置的應用。

 

 

    3 設計方案

    3. 1 可變流量范圍設計

    鐘罩式氣體流量標準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 等多種規格，每個鐘罩本體對應一個上限流量 Qmax，具體見表1。

 

 

 

    可以根據實際需要將不同流量上限的鐘罩加以并聯組合，即成為并聯組合式鐘罩氣體流量標準裝置，從而實現可變流量范圍，如圖 7 所示。

 

 

 

    圖 7 為 20L、100L、1000L 三個規格的鐘罩的并聯組合，根據被檢器的工作量程，自動選擇合適的標準器，可使流量量程比達到 500∶ 1，適應高量程比的要求，極大提大檢測能力，節約經濟成本。 

 

    3. 2 可變壓力范圍設計

    壓力參數是影響鐘罩性能的主要性能指標，為了有效增大鐘罩壓力，可以設計一種正、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到( 0 ～ 0. 6) MPa，適應高壓力比的要求。 圖 8 實際為一種自動控制型正、反吹鐘罩裝置，通過預先設定好正吹法及反吹法檢測管線、信號補償部件、流量調節部件、壓力源及壓力調節部件等，利用開關閥切換管路或功能，然后通過系統軟件控制數據信息采集及部件動作，從而實現正吹法和反吹法的自動控制選擇。

 

 

 

    可變溫度范圍設計

    溫度參數也是影響鐘罩性能的主要性能指標，通過增加氣體溫度調節組件的方式，設計一種可模擬介質實際使用溫度的鐘罩裝置。它包括進氣組件和鐘罩，進氣組件出口端連接有氣體調節組件，氣體調節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、與進氣組件出口端連接，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。進入被檢氣體流量計的氣體與實際使用溫度相同，測量接近實際，提高檢測準確性，檢測數據更可靠，具體實現如圖 9 所示。

 

 

 

    注意: 圖 9 中的兩個擴展應用: 一是鐘罩位置換成氣體標準表或音速噴嘴時，即改變了裝置的標準器類型; 增加 521 － 真空泵進氣閥設計后，即變成了負壓法氣體裝置，可節約運行成本。

 

    3. 4 可變信號接收模式設計

    鐘罩式氣體流量標準裝置可檢測被檢器種類大致或分為三類，要求裝置具備不同的信號接收和處理能力。

 

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

 

    (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、開關信號等，應用于大部分種類的氣體流量計，如渦輪流量計、超聲流量計等。 

 

    (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，應用于各類工作級氣體流量計，如渦街流量計、熱式質量流量計，金屬管浮子流量計等。 

 

    (4) 現場總線輸出類，包 括 Profibu、Modbus、 FoundationFieldbus 等多種，應用于種類現場總線控制型氣體流量計。 

 

    (5) 無線射頻信號類，應用于遠程抄表或控制的氣體流量計，如皮膜燃氣表、超聲燃氣表等。 

 

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

    通過對傳統鐘罩裝置的控制系統進行開發，實現對所需信號類型的接收和處理支持。 

 

    4 結束語

    鐘罩式氣體流量標準裝置應用廣泛，是氣體流量行業主要的標準計量器具。然而隨著新技術新需求的出現，有必要對傳統鐘罩裝置進行技術改進或改造才能適用需求。筆者從實際出發，提出可變工況型鐘罩式氣體流量標準裝置的設計理念，提出了流量范圍、壓力范圍、溫度范圍、信號接收方式等方面的技術創新與改進方案，能夠滿足企事業單位實驗室、第三方技術機構的檢測及科研需求。