CN105526996B - 高精度pVTt法气体流量标准装置 - Google Patents
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Abstract
高精度pVTt法气体流量标准装置属于气体计量测试技术领域，尤其是涉及一种高精度pVTt法气体流量标准装置的改进。本发明提供一种提供一种检测效率高且精度高的高精度pVTt法气体流量标准装置。高精度pVTt法气体流量标准装置，包括标准容器、五路切换控制阀和控制系统，标准容器内设数字压力计和温度传感器，标准容器表面设有抽真空管路、数字压力计接口、温度传感器接口、排污孔和检测喷嘴管路，其特征在于：所述五路切换控制阀由两个三通气动阀构成，两个三通气动阀均有一个接口作为连接口，两个三通气动阀的连接口相互连通，五路切换控制阀的其余四个接口分别连接真空泵、音速喷嘴、标准容器的抽真空管路和检测喷嘴管路。
Description
技术领域
本发明属于气体计量测试技术领域，尤其是涉及一种高精度pVTt法气体流量标准装置的改进。
背景技术
pVTt 法气体流量标准装置是间接测量气体质量流量的标准装置。其原理为：装置在某一时间间隔t内，气体进入或者排出容积为V的标准容器，根据进气前后标准容器内气体的绝对压力p和热力学温度T的变化，计算出检测过程中气体质量流量。pVTt 法气体流量标准装置检测前先用真空泵将标准容器抽成真空，此过程相当于标准容器对外做功，容器内温度降低，且容器内温度不平衡（抽气管处温度较低），此时插入标准容器内的温度传感器不能真实反映罐内温度，通常情况下抽真空后标准容器要在恒温环境稳定数小时，待标准容器内温度平衡后才能准确测量标准容器内的温度。同理，标准容器充气后也需要数小时的等待时间。这大大的降低了pVTt 法气体流量标准装置的检测效率。充气前喷嘴中无流量通过，当标准容器和喷嘴之间的阀打开时，喷嘴前后背压比突然变化，流速从零突然升到当地音速，影响检测精度。
发明内容
本发明就是针对上述问题，提供一种检测效率高且精度高的高精度pVTt法气体流量标准装置。
为实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案，高精度pVTt法气体流量标准装置，包括标准容器、五路切换控制阀和控制系统，标准容器内设数字压力计和温度传感器，标准容器表面设有抽真空管路、数字压力计接口、温度传感器接口、排污孔和检测喷嘴管路，其特征在于：所述五路切换控制阀由两个三通气动阀构成，两个三通气动阀均有一个接口作为连接口，两个三通气动阀的连接口相互连通，五路切换控制阀的其余四个接口分别连接真空泵、音速喷嘴、标准容器的抽真空管路和检测喷嘴管路。
作为一种优选方案，在两个三通气动阀相连的连接口中部设有排空管路。
作为另一种优选方案，所述的标准容器由两个相连的柱状容器构成；两个柱状容器中部及两端连接构成标准容器，增大了标准容器与恒温水浴的接触面积，有利于增加标准容器与恒温水浴之间的换热速度；进一步地，所述的标准容器体积为110L，两个柱状容器的长度均为1600mm、直径均为DN200。
作为又一种优选方案，在五路切换控制阀中与音速喷嘴相连的三通气动阀上方设有光电开关；当此三通气动阀动作时，气缸上下运动光电开关检测到气缸运动即向计时器发出信号，计时器开始记录检测时间t。
作为又一种优选方案，与音速喷嘴相对应地设有气动夹表器，所述气动夹表器设置于音速喷嘴下方。气孔夹表器采用倒立式安装方式，便于夹表，而且可以避免灰尘落入，污染标准容器。
作为又一种优选方案，所述的温度传感器为精密铂电阻传感器。
作为又一种优选方案，所述的控制系统为以PLC为核心的控制系统，计算机输出端口连接PLC的编程口，PLC的I/O输出端控制真空泵的电源和五路切换控制阀的两个三通气动阀的开关阀，音速喷嘴端部前侧设置检测管路，检测管路内设精密铂电阻传感器，精密铂电阻传感器通过变送器连接PLC的输入端口，标准容器上设置的两个精密铂电阻传感器通过数字表将模拟信号数字化后通过数字接口输入计算机；标准容器上设置的压力传感器通过数字压力计将压力模拟信号转换成数字信号后经数字接口传入计算机；光电开关输出信号至计时器及PLC的I/O输入端，计时器信号输出端连接PLC输入端口。
作为一种优选方案，所述的标准容器置于单侧断层溢流式恒温水浴内；所述的单侧断层溢流式恒温水浴，其装置主体包括有恒温水浴槽体、制冷系统、加热系统、槽液循环系统、电气控制系统，其特征在于恒温水浴槽体内设置的恒温区域为单侧断层溢流式循环方式结构，其中：整个系统的循环水经过制冷系统，加热系统后由槽液循环系统通过给水管注入到恒温区域的缓冲区；在恒温区域的缓冲区与恒温区域之间放置有一个多孔出水孔板，保证缓冲区内的水自下而上均匀的进入恒温区域与之进行热交换；在恒温区域的一端设置有一个单侧溢流式挡水板，恒温水浴中漫过该单侧溢流式挡水板的那部分水流入待控温区，再由循环泵吸入控温模块，注入恒温水浴缓冲区，完成循环。
所述的给水管为一端进水，一端封堵上的PVC管，直径25mm，在水浴内长1800mm，每间隔100mm设置有一个出水孔，由于每个孔都存在压降，为了保证每个孔出水量相等，所述出水孔径加工成渐变大小，每个孔的出水量为0.56L/min。上述设计保证了恒温水均匀的进入恒温区域的缓冲区。
电气控制系统采用P I D调节控制，温度稳定性好，控温精度高。由制冷机持续提供相对恒定的冷量，再由温度控制器，采用PID控制加热系统进行加热补偿，从而将水温恒定在要求的温度范围内。在恒温水浴与缓冲区之间的多孔出水孔板（底面）上方设置一只精度为±0.05℃的铂电阻温度计，通过该铂电阻温度计，测量恒温槽水的温度，温度控制器根据设定的温度，对固态继电器进行触发，来控制固态继电器负载端的通断，从而调节加热制冷装置的加热量，达到恒温的目的。
所述的单侧断层溢流式循环方式是指：在恒温水浴一端设置一个高度固定的单侧断层溢流挡板，循环水通过制冷加热系统控温，由循环泵注入恒温水浴缓冲区，经过多空孔板不断流入恒温区域，漫过溢流挡板的水流入待控温区，再被循环泵吸入控温系统，完成循环。
通过单侧断层溢流式恒温水浴提供大尺寸、高均匀性，低波动性的稳定温场，将pVTt装置的标准容器置于其中，保证了标准容器内气体抽真空后平衡时间不超过6min，检测效率高。
本发明的有益效果。
本发明标准容器、喷嘴和真空泵之间采用五路切换控制阀连接，检测时首先将标准容器抽成真空，然后通过五路切换控制阀使真空泵与音速喷嘴相连，用真空泵抽音速喷嘴，然后通过五路切换控制阀使音速喷嘴与标准容器相连通，这样检定之前使音速喷嘴流量达到临界状态的流量，保证了喷嘴检测中阀动作切换时，有效避免流过喷嘴的流量“突变”带来的影响，提高了检测效率。经中国计量科学研究院检定，装置扩展不确定度为0.05%（k=2），技术指标达到国内外技术机构同类装置的最高水平。可开展临界流音速喷嘴的检测。
另外，本发明单侧断层溢流式恒温水浴，采用自下而上单侧溢流的循环方式，通过固定结构而非外加搅拌系统，降低了装置能耗。渐变多孔入水管和多孔孔板的设计，使恒温水均匀流入恒温水浴的整个区域，保证了恒温水浴良好的温度均匀性。采用持续制冷电动加热PID调节控制方法，保证了系统温度控制的闭环反馈，快速准确的控制水浴温度，保证了恒温水浴良好的温度波动性。通过单侧断层溢流式恒温水浴提供大尺寸、高均匀性，低波动性的稳定温场，将pVTt装置的标准容器置于其中，保证了标准容器内气体抽真空后平衡时间不超过6min，检测效率高。
附图说明
图1是本发明标准容器示意图。
图2是本发明五路切换控制阀结构示意图。
图3是本发明标准容器与单侧断层溢流式恒温水浴组合结构示意图。
图4是单侧断层溢流式恒温水浴的结构示意图。
图5为单侧断层溢流式恒温水浴控制基本电路的示意图。
图6为单侧断层溢流式恒温水浴给水管的结构示意图。
图7是本发明整体结构示意图。
图中，1为抽真空管路、2为数字压力计接口、3为温度传感器接口、4为标准容器、5为排污孔、6为检测喷嘴管路、7为排空管路、8为第一接口、9为第二接口、10为第三接口、11为第四接口、12为单侧断层溢流式恒温水浴、13为液面、14为支撑梁、15为恒温水浴槽体、16为待控温区、17为单侧溢流式挡水板、18为多孔出水孔板、19为给水管、20为铂电阻温度计、21为温度控制器、22为固态继电器、23为加热制冷装置、24为出水孔、25为第二三通气动阀、26为第一三通气动阀、27为五路切换控制阀、28为音速喷嘴、29为检测管路、30为铂电阻温度计、31为真空泵、32为光电开关。
具体实施方式
一种高精度pVTt法气体流量标准装置，包括标准容器4、五路切换控制阀27和控制系统，标准容器4内设数字压力计和温度传感器，标准容器表面设有抽真空管路1、数字压力计接口2、温度传感器接口3、排污孔5和检测喷嘴管路6，数字压力计接口2连接数字压力计、温度传感器接口3连接温度传感器，所述的温度传感器为精密铂电阻传感器；所述五路切换控制阀27由两个三通气动阀构成，所述的两个三通气动阀分别为第一三通气动阀26和第二三通气动阀25，所述第一三通气动阀26和第二三通气动阀25均具有一个连接口，两个三通气动阀之间通过所述连接口相互连接；除所述连接口外，所述第一三通气动阀26的上部接口为第一接口8、下部接口为第二接口9，第二三通气动阀25的上部接口为第三接口10、下部接口为第四接口11，在两个相互连接的连接口之间设有排空管路7；标准容器4的抽真空管路1连接五路切换控制阀27的第一接口8，标准容器4的检测喷嘴管路6连接五路切换控制阀27的第三接口10；五路切换控制阀27的第二接口9连接真空泵31，五路切换气动阀27的第四接口11连接音速喷嘴28。
所述的标准容器4由两个相连的柱状容器构成；两个柱状容器中部及两端连接构成标准容器，增大了标准容器与恒温水浴的接触面积，有利于增加标准容器与恒温水浴之间的换热速度；进一步地，所述的标准容器体积为110L，两个柱状容器的长度均为1600mm、直径均为DN200。
在五路切换控制阀27中与音速喷嘴28相连的三通气动阀上方设有光电开关32；当此三通气动阀动作时，气缸上下运动光电开关32检测到气缸运动即向计时器发出信号，计时器开始记录检测时间t。
所述的控制系统为以PLC为核心的控制系统，计算机输出端口连接PLC的编程口，PLC的I/O输出端控制真空泵31的电源和五路切换控制阀27的两个三通气动阀的开关阀，音速喷嘴28端部前侧设置的精密铂电阻温度计通过变送器连接PLC的输入端口，标准容器4内设置的两个精密铂电阻传感器通过数字表将模拟信号数字化后通过数字接口输入计算机；标准容器上设置的压力传感器通过数字压力计将压力模拟信号转换成数字信号后经数字接口传入计算机；光电开关输出信号至计时器及PLC的I/O输入端，计时器信号输出端连接PLC输入端口。
使用过程中，首先计算机通过PLC控制真空泵31和五路切换控制阀27，将标准容器4内压力抽至设定值，通过标准容器4内的精密铂电阻和数字压力计测量标准容器内压力，反馈回计算机，当标准容器内压力到达设定值，关闭真空泵电源，及通过五路切换控制阀27关闭真空泵与标准容器之间的连接。等待标准容器内温度平衡，即两只铂电阻传感器之间温度差|T1-T2|≤0.1℃时开始检测音速喷嘴。首先在计算机中设定检测时间t，开始检测时五路切换控制阀状态为真空泵、排空管路、音速喷嘴相连通，开启真空泵后音速喷嘴中形成“临界流”，稳定3秒后五路切换控制阀自切换至真空泵排空管路相连，音速喷嘴与标准容器相连，并触发光电开关，计时器开始计时PLC收到开始检测的反馈。当计时器时间到达预设时间t后自动关闭控制阀。等待标准容器内温度平衡，即两只铂电阻传感器温度差|T1-T2|≤0.1℃时记录标准容器内温度T1，T2和压力P，在计算机中计算得到流经音速喷嘴的质量流量。
所述的标准容器4置于单侧断层溢流式恒温水浴12内，单侧断层溢流式恒温水浴12内设有支撑梁14，所述标准容器4设置于支撑梁14上；所述的单侧断层溢流式恒温水浴12，其装置主体包括有恒温水浴槽体15、制冷系统、加热系统、槽液循环系统、电气控制系统，其特征在于恒温水浴槽体15内设置的恒温区域为单侧断层溢流式循环方式结构，其中：整个系统的循环水经过制冷系统，加热系统后由槽液循环系统通过给水管注入到恒温区域的缓冲区；在恒温区域的缓冲区与恒温区域之间放置有一个多孔出水孔板18，保证缓冲区内的水自下而上均匀的进入恒温区域与之进行热交换；在恒温区域的一端设置有一个单侧溢流式挡水板，恒温水浴中漫过该单侧溢流式挡水板的那部分水流入待控温区，再由循环泵吸入控温模块，注入恒温水浴缓冲区，完成循环。
所述的给水管为一端进水，一端封堵上的PVC管，直径25mm，在水浴内长1800mm，每间隔100mm设置有一个出水孔，由于每个孔都存在压降，为了保证每个孔出水量相等，所述出水孔径加工成渐变大小，每个孔的出水量为0.56L/min。上述设计保证了恒温水均匀的进入恒温区域的缓冲区。
电气控制系统采用P I D调节控制，温度稳定性好，控温精度高。由制冷机持续提供相对恒定的冷量，再由温度控制器，采用PID控制加热系统进行加热补偿，从而将水温恒定在要求的温度范围内。在恒温水浴与缓冲区之间的多孔出水孔板（底面）上方设置一只精度为±0.05℃的铂电阻温度计，通过该铂电阻温度计，测量恒温槽水的温度，温度控制器7根据设定的温度，对固态继电器进行触发，来控制固态继电器负载端的通断，从而调节加热制冷装置的加热量，达到恒温的目的。
所述的单侧断层溢流式循环方式是指：在恒温水浴一端设置一个高度固定的单侧断层溢流挡板，循环水通过制冷加热系统控温，由循环泵注入恒温水浴缓冲区，经过多空孔板不断流入恒温区域，漫过溢流挡板的水流入待控温区，再被循环泵吸入控温系统，完成循环。
通过单侧断层溢流式恒温水浴提供大尺寸、高均匀性，低波动性的稳定温场，将pVTt装置的标准容器置于其中，保证了标准容器内气体抽真空后平衡时间不超过6min，检测效率高。
Claims (8)
1.高精度pVTt法气体流量标准装置，包括标准容器（4）、五路切换控制阀（27）和控制系统，标准容器（4）内设数字压力计和温度传感器，标准容器（4）表面设有抽真空管路（1）、数字压力计接口（2）、温度传感器接口（3）、排污孔（5）和检测喷嘴管路（6），其特征在于：所述五路切换控制阀（27）由两个三通气动阀构成，两个三通气动阀均有一个接口作为连接口，两个三通气动阀的连接口相互连通，五路切换控制阀（27）的其余四个接口分别连接真空泵（31）、音速喷嘴（28）、标准容器（4）的抽真空管路（1）和检测喷嘴管路（6）；
在两个三通气动阀相连的连接口中部设有排空管路（7）；
所述的标准容器（4）由两个相连的柱状容器构成。
2.根据权利要求1所述的高精度pVTt法气体流量标准装置，其特征在于：在五路切换控制阀（27）中与音速喷嘴（28）相连的三通气动阀上方设有光电开关（32）。
3.根据权利要求1所述的高精度pVTt法气体流量标准装置，其特征在于：与音速喷嘴（28）相对应地设有气动夹表器。
4.根据权利要求1所述的高精度pVTt法气体流量标准装置，其特征在于：所述的温度传感器为精密铂电阻传感器。
5.根据权利要求1所述的高精度pVTt法气体流量标准装置，其特征在于：所述的控制系统为以PLC为核心的控制系统，计算机输出端口连接PLC的编程口，PLC的I/O输出端控制真空泵的电源和五路切换控制阀的两个三通气动阀的开关阀，音速喷嘴端部前侧设置检测管路，检测管路内设精密铂电阻传感器，精密铂电阻传感器通过变送器连接PLC的输入端口，标准容器上设置的两个精密铂电阻传感器通过数字表将模拟信号数字化后通过数字接口输入计算机；标准容器上设置的压力传感器通过数字压力计将压力模拟信号转换成数字信号后经数字接口传入计算机；光电开关输出信号至计时器及PLC的I/O输入端，计时器信号输出端连接PLC输入端口。
6.根据权利要求1所述的高精度pVTt法气体流量标准装置，其特征在于：所述的标准容器（4）置于单侧断层溢流式恒温水浴（12）内；所述的单侧断层溢流式恒温水浴（12），其装置主体包括有恒温水浴槽体（15）、制冷系统、加热系统、槽液循环系统、电气控制系统，其特征在于恒温水浴槽体内设置的恒温区域为单侧断层溢流式循环方式结构，其中：整个系统的循环水经过制冷系统，加热系统后由槽液循环系统通过给水管注入到恒温区域的缓冲区；在恒温区域的缓冲区与恒温区域之间放置有一个多孔出水孔板（18），保证缓冲区内的水自下而上均匀的进入恒温区域与之进行热交换；在恒温区域的一端设置有一个单侧溢流式挡水板，恒温水浴中漫过该单侧溢流式挡水板的那部分水流入待控温区，再由循环泵吸入控温模块，注入恒温水浴缓冲区，完成循环。
7.根据权利要求6所述的高精度pVTt法气体流量标准装置，其特征在于：所述的给水管（19）为一端进水，一端封堵上的PVC管，直径25mm，在水浴内长1800mm，每间隔100mm设置有一个出水孔，由于每个孔都存在压降，为了保证每个孔出水量相等，所述出水孔径加工成渐变大小，每个孔的出水量为0.56L/min。
8.根据权利要求6所述的高精度pVTt法气体流量标准装置，其特征在于：电气控制系统采用P I D调节控制；由制冷机持续提供相对恒定的冷量，再由温度控制器，采用PID控制加热系统进行加热补偿，从而将水温恒定在要求的温度范围内；在恒温水浴与缓冲区之间的多孔出水孔板上方设置一只精度为±0.05℃的铂电阻温度计，通过该铂电阻温度计，测量恒温槽水的温度，温度控制器根据设定的温度，对固态继电器进行触发，来控制固态继电器负载端的通断，从而调节加热制冷装置的加热量。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20181012 Termination date: 20211013 |
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