CN107702768B - 一种高压空气大流量现场校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压空气大流量现场校准装置及方法。该装置包括由高压气源系统、主管路、冷却水系统、测量控制系统、流量次级标准系统、沿着高压大流量空气流向依次设置在主管路上的调压装置、稳压整流装置、被校空气流量计、三通管、快速换向阀以及标准容器。该装置的校准方法步骤是：1)被校空气流量计的初级校准；2)被校空气流量计的次级校准。本发明全面模拟了空气流量计的真实工作高压、大流量环境，实现了空气流量计的校准，获得了高压空气大流量真实使用条件的空气流量计流量系数。

Description

一种高压空气大流量现场校准装置及方法

技术领域

本发明属于空气流量计标校技术领域，具体涉及一种高压空气大流量现场校准装置及方法。

背景技术

在空气流量计校准中，特别是超声速、高超声速风洞中，需要提供的空气流量越来越大，压力越来越高，单个空气流量计的入口压力已经达到了23MPa，流量也达到了60kg/s。

由于目前无此相应条件的高压大流量校准装置，工程上对空气流量计只能采用在低压小流量条件下进行流量系数校准以获取流量计流量系数，而直接在高压大流量条件使用。研究发现，采用低压小流量条件下取得的流量系数应用到高压大流量条件下，测量的空气流量会产生很大的误差，使得测量精度比较差，难以满足使用要求。

由此发现要准确获得高压大流量空气流量计实际应用状态下空气流量计流量系数，需要通过高压大流量空气流量计现场校准装置，使空气计流量工作压力、工作流量、装配状态得到真实模拟，保证空气计流量校准状态和实际使用状态严格一致。

发明内容

为了解决背景技术中提出的问题，本发明设计了一种高压空气大流量现场校准装置，全面模拟了空气流量计的真实工作高压、大流量环境，实现了空气流量计的校准，获得了高压空气大流量真实使用条件的空气流量计流量系数。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种高压空气大流量现场校准装置，包括高压气源系统、主管路、冷却水系统、测量控制系统、流量次级标准系统、沿着高压大流量空气流向依次设置在主管路上的调压装置、稳压整流装置、被校空气流量计、三通管、快速换向阀以及标准容器；

被校空气流量计的出气口与三通管的进气口连通，三通管的一个出气口通过一个初级校准选择阀与快速换向阀的进气口连接，另一个出气口通过一个次级校准选择阀与流量次级标准系统进气端连通，流量次级标准系统出气端与大气连通；

快速换向阀的一个换向出气口与标准容器连通，另一个出气口与大气连通；

冷却水系统为标准容器提供冷却水用于保持标准容器的温度；

测量控制系统分别与高压气源系统、调压装置、快速换向阀、初级校准选择阀、次级校准选择阀、流量次级标准系统、标准容器以及冷却水系统电连接用于控制上述各个部分工作。

具体来说，所述流量次级标准系统包括多个并联设置的音速喷嘴系统，每个音速喷嘴系统包括分支管路以及沿着空气流向依次设置在分支管路上的截止阀、温度传感器、压力传感器以及标准音速喷嘴；所述标准音速喷嘴允许通过的流量与被校空气流量计允许通过的流量相适配。

为了适应快速换向，本发明的快速换向阀包括向阀主体、连接法兰以及气动执行器；

气动执行器包括高压气缸、支撑杆；

换向阀主体包括阀体、阀芯、压筒、阀杆、主路阀座以及支路阀座；

压筒套装在阀体内部，主路阀座、支路阀座位于压筒内部，主路阀座安装在压筒的中部，支路阀座安装在压筒的下部；支路阀座和主路阀座将压筒分割成相互连通上压腔、中压腔以及下压腔，阀芯位于中压腔内，阀杆的一端与阀芯连接，另一端与所述高压气缸的活塞杆连接；

所述阀体在对应中压腔和下压腔的位置均设置有出气口；

连接法兰固定安装在阀体上端面，连接法兰与所述高压气缸通过支撑杆支撑；

主路阀座的下表面安装主路压环，主路压环的内环面和主路阀座的下表面形成限位台阶作为阀芯上限位；支路阀座的上表面安装支路压环，支路压环的内环面和支路阀座的上表面形成限位台阶作为阀芯下限位；

主路压环的内环面和主路阀座的下表面相交的位置开设有截面为圆弧形的第一环形凹槽；

支路压环的内环面和支路阀座的上表面相交的位置开设有截面为圆弧形的第二环形凹槽；

第一环形凹槽和第二环形凹槽内均安装有O型密封圈；

所述主路阀座的下表面、支路阀座的上表面、阀芯的上表面以及阀芯下表面均堆焊有硬质合金；

为了确保快速换向时高压气缸的的活塞和活塞杆承受的冲力减小，高压气缸包括气缸缸筒、气缸活塞、上气缸活塞杆、下气缸活塞杆、气缸上端盖以及气缸下端盖；所述上气缸活塞杆包括上部自由段，中部限位段以及下部连接段；所述下气缸活塞杆包括上部连接段，中部限位段以及下部连接段；

所述气动执行器还包括双边缓冲单元，所述双边缓冲单元包括安装在气缸上缸盖的上缓冲单元和安装在下缸盖的下缓冲单元；上缓冲单元包括与气缸缸筒固连的上缸筒、位于上缸筒内的上缓冲弹簧；下缓冲单元包括与气缸缸筒固连的下缸筒、位于下缸筒内的下缓冲弹簧；

其中，上气缸活塞杆的上部自由段自下而上依次穿过上缓冲弹簧上缸筒后伸出上缸筒；下部连接段与所述气缸活塞连接，所述中部限位段的外径大于上部自由段和下部连接段；中部限位段的上端与上缸筒内部上表面之间安装上缓冲弹簧；

下气缸活塞杆的上部连接段与所述气缸活塞连接，下部连接段依次穿过下缓冲弹簧、下缸筒与所述阀杆连接；所述中部限位段的外径大于上部连接段和下部连接段；中部限位段的下端与下缸筒内部下表面之间安装下缓冲弹簧；

所述上缓冲弹簧与中部限位段之间以及下缓冲弹簧与中部限位段之间均设置缓冲器活塞。

为了确保标准容器内温度均匀，所述标准容器包括内胆、外层水套、中心进水管、压力传感器以及温度传感器；

外层水套套装在内胆外部，外层水套上开设有进水口和出水口，从而内胆外壁和外层水套内壁之间通过进水口和出水口形成一个外部循环水通道；

中心进水管从外层水套的一端插装进内胆并从外层水套另一端贯穿伸出，从而形成内部循环水通道；

温度传感器以及压力传感器的测量端均插装入内胆内部，显示端则外露；所述温度传感器沿着外层水套的轴向设置有多个。

冷却水系统有两套进回水系统，其中，一套进回水系统与外部循环水通道连通，一套进回水系统与内部循环水通道连通。

进一步的，上述中心进水管位于内胆内部的部分沿轴向方向设置有多个换热板组；每个换热板组包括多个沿中心进水管圆周方向均布的多个翅板。

进一步的，上述冷却水系统包括水箱、水泵、两套进回水系统；两套进回水系统中的两个进水管将外层水套上的进水口通过水泵与水箱连通，同时也将中心进水管上的进水口通过水泵与水箱连通；两套进回水系统中的两个回水管将外层水套上的出水口与水箱连通，同时也将中心进水管上的出水口与水箱连通。

其中，水泵的两端均设置有截止阀；

进一步的，上述高压气源系统包括空气压缩机、干燥器以及多个高压空气瓶；空气压缩机通过干燥器向多个高压气瓶供气。

进一步的，上述标准容器上还设置有排气管路，排气管路上安装有排气阀。

基于上述的高压空气大流量现场校准装置，现对其校准方法进行描述，该方法包括以下步骤：

1)被校空气流量计的初级校准；

接通初级校准选择阀，关闭次级校准选择阀；

设定高压气体的压力P≤12MPa，流量Q≤10kg/s；

高压空气通过调压装置进入稳压整流装置，经过稳压整流装置后进入被校空气流量计；

当通过被校空气流量计的空气压力未达到稳定时，直接通过快速换向阀与大气相连的排出口排入大气中；

当被校空气流量计的空气压力达到稳定时快速换向阀执行“换入”动作，空气流入标准容器，在空气开始流入标准容器时刻自动开始计时，经过一段时间后快速换向阀执行“换出”动作，在空气停止流入标准容器时刻自动停止计时，获得时间t；根据标准容器中的压力P、体积V、温度T获得空气质量m，最后m和t相除获得被校空气流量计平均流量，即完成了被校空气流量计的初级校准；

2)被校空气流量计的次级校准；

2.1)根据步骤1)获得的被校空气流量计平均流量以及实际工作中高压气体大流量的需求，准备多个标准音速喷嘴，分别安装在流量次级标准系统的多个并联的分支管路上；标准音速喷嘴的选取原则是：

A：标准音速喷嘴的平均流量大小与被校空气流量计平均流量大小相适应；

B：多个标准音速喷嘴的平均流量大小之和为实际工作中高压气体通过被校空气流量计的流量大小；

2.2)接通次级校准选择阀，关闭初级校准选择阀；

设定高压气体的压力P≤23MPa，流量Q≤60kg/s；

高压气体通过调压装置进入稳压整流装置，经过稳压整流装置后进入被校空气流量计；

当通过被校空气流量计的空气压力未达到稳定时，高压气体从被校空气流量计流出后进入多个标准音速喷嘴，从标准音速喷嘴流出后直接排入大气；

当被校空气流量计和多个标准音速喷嘴的空气压力达到稳定后，记录多个标准音速喷嘴的各自气体平均流量，将多个标准音速喷嘴的各自平均气体流量相加得到实际通过的高压气体流量Q；同时读取被校空气流量计测量的流量大小为Q1；

通过比对法将Q和Q1进行计算，获取最终被校空气流量计的校准系数，次级校准完成。

本发明的有益效果是：

1、本发明针对国内无现有高压空气大流量计校准装置，对空气流量计只能采用在低压小流量条件下进行流量系数校准以获取流量计流量系数，而直接在高压大流量条件使用会造成的空气流量测量的误差现状，提供了一种基于p.V.T.t法进行被校空气流量计的初级校准，并且通过比对法进行被校空气流量计的次级校准的组合校准装置，保证空气计流量校准状态和实际使用状态严格一致的方法，可准确实现空气流量计校准。

2、本发明的高压大流量空气流量计现场校准装置可根据实际需求增减标准音速喷嘴的数量，从而实现不同流量大小下空气流量计的校准，并且通过对空气流量计现场校准装置不确定度评定，其中p.V.T.t法(初级校准)不确定度为U_rel＝0.25％(k＝2)，比对法(次级校准)不确定度为U_rel＝1.0％(k＝2)，因此使用该高压大流量空气流量计现场校准装置校准的空气流量计测量的空气流量的误差会大大减小，提高测空气流量的测量精度，并且适应不同流量大小下的校准需求。

3、本发明中设计的标准容器采用外部循环水通道以及内部循环水通道以及内部带翅板的水管结构，能够实现标准容器内的气体温场迅速均匀并实现检定过程中气体处于恒温状态。

4、本发明中的快速换向阀采用密封面和撞击面分离的特殊密封设计，实现了零泄露，并且大大延长了换向阀中阀座的使用寿命。

5、本发明中设计的快速换向器采用高压活塞缸驱动，换向时间实现了50±5ms，具有换向快速和换向时间稳定的技术特性。

6、本发明中快速换向阀采用缓冲单元，可以在阀门动作即将结束时大大降低阀芯的运动速度，在基本不影响阀门动作时间的前提下降低阀芯对阀座的冲击，增加阀芯阀座的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的总体构成示意图。

图2为标准容器的结构简图。

图3为快速换向阀的结构示意图。

图4为换向阀本体的结构示意图。

图5为图4的局部放大图。

图6为双边缓冲单元的结构简图。

附图标记如下：

1-高压气源系统、2-主管路、3-冷却水系统、4-测量控制系统、5-流量次级标准系统、6-调压装置、7-稳压整流装置、8-被校空气流量计、9-三通管、10-快速换向阀、11-标准容器、12-初级校准选择阀、13-次级校准选择阀、14-分支管路、15-截止阀、16温度传感器、17-压力传感器、18-标准音速喷嘴、19-内胆、20-外层水套、21-中心进水管、22-进水口、23-出水口、24-外部循环水通道、25-内部循环水通道、26-翅板、27-水箱、28-水泵、29-两套进回水系统、30-排气管路、31-排气阀、32-空气压缩机、33-干燥器、34-多个高压空气瓶。

01-换向阀主体、02-连接法兰、03-气动执行器、04-高压气缸、05-支撑杆、06-阀体、07-阀芯、08-压筒、09-阀杆、010-主路阀座、011-支路阀座、012-上压腔、013-中压腔、014-下压腔、015-主路压环、016-支路压环、017-O型密封圈、018-气缸缸筒、019-气缸活塞、021-气缸上缸盖、022-气缸下缸盖、023-上部连接段、024-中部限位段、025-下部连接段、027-上缓冲弹簧、028-下缓冲弹簧、029-缓冲器活塞、030-上气缸活塞杆、031-下气缸活塞杆、032-上部自由段、033-上缸筒、034-下缸筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明，使本技术领域技术人员能够理解实施本发明。

本发明是一种空气流量计校准装置，参见图1，本发明的高压空气大流量现场校准装置包括高压气源系统1、主管路2、冷却水系统3、测量控制系统4、流量次级标准系统5、沿着高压大流量空气流向依次设置在主管路1上的调压装置6、稳压整流装置7、被校空气流量计8、三通管9、快速换向阀10以及标准容器11；

被校空气流量计8的出气口与三通管9的进气口连通，三通管9的一个出气口通过一个初级校准选择阀12与快速换向阀10的进气口连接，另一个出气口通过一个次级校准选择阀13与流量次级标准系统5进气端连通，流量次级标准系统5出气端与大气连通；

快速换向阀10的一个换向出气口与标准容器11连通，另一个出气口与大气连通；

冷却水系统3为标准容器提供冷却水用于保持标准容器的温度；

测量控制系统4分别与高压气源系统1、调压装置6、快速换向阀10、初级校准选择阀12、次级校准选择阀13、、标准容器11、流量次级标准系统5以及冷却水系统3电连接(实际上测量控制系统的作用是控制上述各个部分中阀门的开闭以及温度传感器以及压力传感器的开闭、数据收集)。

其中，流量次级标准系统5包括多个并联设置的音速喷嘴系统，每个标准音速喷嘴系统包括分支管路14以及沿着空气流向依次设置在分支管路14上的截止阀15、温度传感器16、压力传感器17以及标准音速喷嘴18；所述标准音速喷嘴18允许通过的流量与被校空气流量计8允许通过的流量相适配(一般音速喷嘴系统的数量最大为6组，可根据实际需求选择不同数量的音速喷嘴系统，设置标准音速喷嘴数量的多少依据被检空气大流量计量程确定，检空气大流量计流量越大，需配置标准音速喷嘴数量越多，流量较少则配置较少标准音速喷嘴。)

本发明中换向阀是快速阀门，阀芯的运动速度较高，阀座撞击面在阀门动作时所受冲击力较大。如果使用一般阀座结构，撞击面同时也是密封面，在快速运动阀芯的的冲击下，密封面寿命会急剧减少；若增加密封面宽度以提高密封面的抗冲击能力，又会增加密封难度。在该换向阀结构设计中，采用了一种分体式阀座结构方案解决了这一矛盾，新阀座结构中密封面不再是撞击面，阀座和阀芯的撞击面上分别堆焊了硬质合金，密封由夹在阀座和阀座压环之间的橡胶O型密封圈与阀芯贴合完成。具体结构如图3、4和5所示：

该换向阀包括换向阀主体01、连接法兰02以及气动执行器03；

气动执行器03包括高压气缸04、支撑杆05；

换向阀主体01包括阀体06、阀芯07、压筒08、阀杆09、主路阀座010以及支路阀座011；

压筒8套装在阀体06内部，主路阀座010、支路阀座011位于压筒08内部，主路阀座011安装在压筒08的中部，支路阀座011安装在压筒08的下部；支路阀座011和主路阀座010将压筒分割成相互连通上压腔012、中压腔013以及下压腔014，阀芯06位于中压腔013内，阀杆09的一端与阀芯07连接，另一端与所述高压气缸04的活塞杆连接；

所述阀体06在对应中压腔013和下压腔014的位置均设置有出气口；

连接法兰02固定安装在阀体06上端面，连接法兰02与所述高压气缸04通过支撑杆05支撑；

主路阀座010的下表面安装主路压环015，主路压环015的内环面和主路阀座010的下表面形成限位台阶作为阀芯上限位；支路阀座011的上表面安装支路压环016，支路压环016的内环面和支路阀座011的上表面形成限位台阶作为阀芯下限位；

主路压环015的内环面和主路阀座010的下表面相交的位置开设有截面为圆弧形的第一环形凹槽；

支路压环016的内环面和支路阀座011的上表面相交的位置开设有截面为圆弧形的第二环形凹槽；

第一环形凹槽和第二环形凹槽内均安装有O型密封圈017。具体的工作原理是：

在高压气缸的驱动下,阀芯在主路阀座和支路阀座之间运动。当阀芯运动至上阀位处(即主路阀座)时，阀芯与主路阀座中的O型密封圈贴合完成密封，气体由支路流出阀门；当阀芯运动至下阀位处(即支路阀座)时，阀芯与支路阀座中的O型密封圈贴合完成密封，气体由主路流出阀门，完成流向切换。

为了减小阀门在动作时阀芯对阀座的冲击，设计了一种带双边缓冲单元的气动执行器。

如图6所示，高压气缸04包括气缸缸筒018、气缸活塞019、上气缸活塞杆030、下气缸活塞杆031以及气缸上缸盖021以及气缸下缸盖022；上气缸活塞杆030包括上部自由段032，中部限位段024以及下部连接段025；下气缸活塞杆031包括上部连接段023，中部限位段024以及下部连接段025；

气动执行器还包括双边缓冲单元，双边缓冲单元包括安装在气缸上缸盖021的上缓冲单元和气缸下缸盖022的下缓冲单元；上缓冲单元包括与气缸上端盖021固连的上缸筒033、位于上缸筒033内的上缓冲弹簧027；下缓冲单元包括与气缸下端盖022固连的下缸筒034、位于下缸筒034内的下缓冲弹簧028；

其中，上气缸活塞杆030的上部自由段032自下而上依次穿过上缓冲弹簧027、上缸筒033后伸出；下部连接段025与所述气缸活塞019连接，所述中部限位段024的外径大于上部自由段032和下部连接段025；中部限位段024的上端与上缸筒033内部上表面之间安装上缓冲弹簧027；

下气缸活塞杆031的上部连接段023与所述气缸活塞019连接，下部连接段025依次穿过下缓冲弹簧028、下缸筒034与所述阀杆09连接；中部限位段024的外径大于上部连接段023和下部连接段025；中部限位段024的下端与下缸筒034内部下表面之间安装下缓冲弹簧028。

其中，上缓冲弹簧027与中部限位段024之间以及下缓冲弹簧28与中部限位段024之间均设置缓冲器活塞029。

上述两种方式中，缓冲单元内均有多片碟型弹簧提供缓冲力(可以更换缓冲器活塞和碟型弹簧以调整缓冲力大小和缓冲行程长度)，在阀门动作即将结束时，活塞杆与缓冲器活塞撞击，缓冲器活塞压缩碟形弹簧，阀芯运动速度降低，减轻了阀芯对阀座的冲击。

当换向阀执行快速换向动作时，气缸活塞带动气缸活塞杆上下移动，气缸活塞杆的中间限位段在上缓冲弹簧和下缓冲弹簧的作用下，实现缓冲。

另外，为了能够实现标准容器内的气体温场迅速均匀并实现检定过程中气体处于恒温状态；由于初级校准工作时，进入容器中的空气受到压缩形成温度上升，并且处于不同位置的温场不均匀，温度相差较大，温度是空气流量的函数，温场不均匀的较大温度差会影使得空气流量质量不准确。为了达到温场均匀，通常需要等待较长的时间才能达到均匀，这样造成检定空气流量计效率较低。同时在等待温场均匀的过程中，处于标准容器内的空气会受标准容器外环境温度影响，形成温度梯度，因此本发明的标准容器作出了恒温的设计，如图2所示，标准容器11包括内胆19、外层水套20、中心进水管21、压力传感器17以及温度传感器16；外层水套20套装在内胆19外部，外层水套20上开设有进水口22和出水口23，从而内胆19外壁和外层水套20内壁之间通过进水口22和出水口23形成一个外部循环水通道24；中心进水管21从外层水套20的一端插装进内胆19并从外层水套20另一端贯穿伸出，从而形成内部循环水通道25；

温度传感器16以及压力传感器17的测量端均插装入内胆19内部，显示端则外露；温度传感器16沿着外层水套20的轴向设置有多个(一般分布安装有10多个)。

中心进水管21位于内胆内部的部分沿轴向方向设置有多个换热板组；每个换热板组包括多个沿中心进水管圆周方向均布的多个翅板26。

具体来说，冷却水系统3包括水箱27、水泵28、两套进回水系统29；两套进回水系统29中的两个进水管将外层水套上的进水口22通过水泵28与水箱27连通，同时也将中心进水管21上的进水口通过水泵与水箱连通；两套进回水系统中的两个回水管将外层水套上的出水口23与水箱27连通，同时也将中心进水管21上的出水口与水箱27连通；

其中，水泵28的两端均设置有截止阀15。

通过上述标准容器采用外部水套和内部带翅板的水管结构，冷却水储存在恒温的水箱中，通过水泵加压后经过管路及阀门进入标准容器，通过流道后流出，冷却水通过内部循环水通道和外部循环水通道与其内胆内部的空气进行热量交换，以冷却水为热媒载体，载冷却水流动中使处于容器各个不同位置的空气温度通过对流换热快速均匀，同时由于外层水套与外部环境形成物理隔离，对容器中的空气实现了保温作用。设计有带翅板的水管结构，翅板为不锈钢金属材料，导热性好，有较大的换热面积，可使容器内部不同的位置和温度的空气通过翅板与冷却水进行热交换，使内部温场迅速均匀。提高空气流量计检定效率。

进一步的，标准容器11上还设置有排气管路30，排气管路30上安装有排气阀31。

为了适应不同的工况，并且使高压气源负荷使用要求，高压气源系统1包括空气压缩机32、干燥器33以及多个高压空气瓶34；空气压缩机32通过干燥器33向多个高压气瓶34供气。

另外，为了方便控制，高压气源系统与调压装置之间依次设置有电动阀、过滤器以及温度传感器；

快速换向阀与标准容器之间也设置有电动阀；

通过上述对本发明装置的结构介绍，现对其校准方法进行描述：该方法包括两个校准步骤：

1)基于p.V.T.t法的被校空气流量计的初级校准；

接通初级校准选择阀，关闭次级校准选择阀；

设定高压气体的压力P≤12MPa，流量Q≤10kg/s；

高压空气通过调压装置进入稳压整流装置，经过稳压整流装置后进入被校空气流量计；

当通过被校空气流量计的空气压力未达到稳定时，直接通过快速换向阀与大气相连的排出口排入大气中；

当被校空气流量计的空气压力达到稳定时快速换向阀执行“换入”动作，空气流入标准容器，在空气开始流入标准容器时刻自动开始计时，经过一段时间后快速换向阀执行“换出”动作，在空气停止流入标准容器时刻自动停止计时，获得时间t；根据标准容器中的压力P、体积V、温度T获得空气质量m，最后m和t相除获得被校空气流量计平均流量，即完成了被校空气流量计的初级校准；

2)基于对比法的被校空气流量计的次级校准；

2.1)根据步骤1)获得的被校空气流量计平均流量以及实际工作中高压气体大流量的需求，准备多个标准音速喷嘴，分别安装在流量次级标准系统的多个并联的分支管路上；标准音速喷嘴的选取原则是：

A：标准音速喷嘴的平均流量大小与被校空气流量计平均流量大小相适应；

B：多个标准音速喷嘴的平均流量大小之和为实际工作中高压气体通过被校空气流量计的流量大小；

2.2)接通次级校准选择阀，关闭初级校准选择阀；

设定高压气体的压力P≤23MPa，流量Q≤60kg/s；

高压气体通过调压装置进入稳压整流装置，经过稳压整流装置后进入被校空气流量计；

当通过被校空气流量计的空气压力未达到稳定时，高压气体从被校空气流量计流出后进入多个标准音速喷嘴，从标准音速喷嘴流出后直接排入大气；

当被校空气流量计和多个标准音速喷嘴的空气压力达到稳定后，记录多个标准音速喷嘴的各自气体平均流量，将多个标准音速喷嘴的各自平均气体流量相加得到实际通过的高压气体流量Q；同时读取被校空气流量计测量的流量大小为Q1；

通过比对法将Q和Q1进行计算，获取最终被校空气流量计的校准系数，次级校准完成(需要说明的是，对比法采用的是JJ643-2003《标准表法流量标准装置》中所公开的方法)。

本发明高压空气大流量现场校准装置，试验过程中测定被校空气流量计压力最高可达到23MPa，流量可达到60kg/s，具有高压大流量特性；快速换向阀换向时间实现了50±5ms，具有换向快速和换向时间稳定的技术特性；设计的容器采用外部水套加内部带翅板的水管结构，能够实现容器内的气体温场迅速均匀并实现检定过程中气体处于恒温状态，具有温度快速稳定功能；采用特殊密封设计，换向器及管路实现零泄露，能够实现空气流量计的现场精确校准。

采用本发明的高压空气大流量现场校准装置，完成了空气流量计高压工作状态下的流出系数精确校准，流量测量精度得到了保证。

风洞、试验台应用的空气流量计都工作与高压状态下，高压空气大流量现场校准装置可以提供实际工作状态的精确标检服务。

应用建设的高压空气大流量现场校准装置可开展高压、大流量因素对流量系数影响的研究，获取不同雷诺数条件下流量系数。

Claims (9)

1.一种高压空气大流量现场校准装置，其特征在于：包括高压气源系统、主管路、冷却水系统、测量控制系统、流量次级标准系统、沿着高压大流量空气流向依次设置在主管路上的调压装置、稳压整流装置、被校空气流量计、三通管、快速换向阀以及标准容器；

被校空气流量计的出气口与三通管的进气口连通，三通管的一个出气口通过一个初级校准选择阀与快速换向阀的进气口连接，另一个出气口通过一个次级校准选择阀与流量次级标准系统进气端连通，流量次级标准系统出气端与大气连通；

快速换向阀的一个换向出气口与标准容器连通，另一个出气口与大气连通；

冷却水系统为标准容器提供冷却水用于保持标准容器的温度；

测量控制系统分别与高压气源系统、调压装置、快速换向阀、初级校准选择阀、次级校准选择阀、流量次级标准系统、标准容器以及冷却水系统电连接用于控制上述各个部分工作；

所述流量次级标准系统包括多个并联设置的音速喷嘴系统，每个音速喷嘴系统包括分支管路以及沿着空气流向依次设置在分支管路上的截止阀、温度传感器、压力传感器以及标准音速喷嘴；所述标准音速喷嘴允许通过的流量与被校空气流量计允许通过的流量相适配。

2.根据权利要求1所述的高压空气大流量现场校准装置，其特征在于：所述快速换向阀包括换向阀主体、连接法兰以及气动执行器；

气动执行器包括高压气缸、支撑杆；

换向阀主体包括阀体、阀芯、压筒、阀杆、主路阀座以及支路阀座；

压筒套装在阀体内部，主路阀座、支路阀座位于压筒内部，主路阀座安装在压筒的中部，支路阀座安装在压筒的下部；支路阀座和主路阀座将压筒分割成相互连通上压腔、中压腔以及下压腔，阀芯位于中压腔内，阀杆的一端与阀芯连接，另一端与所述高压气缸的活塞杆连接；

所述阀体在对应中压腔和下压腔的位置均设置有出气口；

连接法兰固定安装在阀体上端面，连接法兰与所述高压气缸通过支撑杆支撑；

主路阀座的下表面安装主路压环，主路压环的内环面和主路阀座的下表面形成限位台阶作为阀芯上限位；支路阀座的上表面安装支路压环，支路压环的内环面和支路阀座的上表面形成限位台阶作为阀芯下限位；

主路压环的内环面和主路阀座的下表面相交的位置开设有截面为圆弧形的第一环形凹槽；

支路压环的内环面和支路阀座的上表面相交的位置开设有截面为圆弧形的第二环形凹槽；

第一环形凹槽和第二环形凹槽内均安装有O型密封圈；

所述主路阀座的下表面、支路阀座的上表面、阀芯的上表面以及阀芯下表面均堆焊有硬质合金。

3.根据权利要求2所述的高压空气大流量现场校准装置，其特征在于：

所述高压气缸包括气缸缸筒、气缸活塞、上气缸活塞杆、下气缸活塞杆、气缸上端盖以及气缸下端盖；所述上气缸活塞杆包括上部自由段，中部限位段以及下部连接段；所述下气缸活塞杆包括上部连接段，中部限位段以及下部连接段；

所述气动执行器还包括双边缓冲单元，所述双边缓冲单元包括安装在气缸上缸盖的上缓冲单元和安装在下缸盖的下缓冲单元；上缓冲单元包括与气缸缸筒固连的上缸筒、位于上缸筒内的上缓冲弹簧；下缓冲单元包括与气缸缸筒固连的下缸筒、位于下缸筒内的下缓冲弹簧；

其中，上气缸活塞杆的上部自由段自下而上依次穿过上缓冲弹簧上缸筒后伸出上缸筒；下部连接段与所述气缸活塞连接，所述中部限位段的外径大于上部自由段和下部连接段；中部限位段的上端与上缸筒内部上表面之间安装上缓冲弹簧；

下气缸活塞杆的上部连接段与所述气缸活塞连接，下部连接段依次穿过下缓冲弹簧、下缸筒与所述阀杆连接；所述中部限位段的外径大于上部连接段和下部连接段；中部限位段的下端与下缸筒内部下表面之间安装下缓冲弹簧；

所述上缓冲弹簧与中部限位段之间以及下缓冲弹簧与中部限位段之间均设置缓冲器活塞。

4.根据权利要求3所述的高压空气大流量现场校准装置，其特征在于：所述标准容器包括内胆、外层水套、中心进水管、压力传感器以及温度传感器；

外层水套套装在内胆外部，外层水套上开设有进水口和出水口，从而内胆外壁和外层水套内壁之间通过进水口和出水口形成一个外部循环水通道；

中心进水管从外层水套的一端插装进内胆并从外层水套另一端贯穿伸出，从而形成内部循环水通道；

温度传感器以及压力传感器的测量端均插装入内胆内部，显示端则外露；所述温度传感器沿着外层水套的轴向设置有多个；

冷却水系统有两套进回水系统，其中，一套进回水系统与外部循环水通道连通，一套进回水系统与内部循环水通道连通。

5.根据权利要求4所述的高压空气大流量现场校准装置，其特征在于：所述中心进水管位于内胆内部的部分沿轴向方向设置有多个换热板组；每个换热板组包括多个沿中心进水管圆周方向均布的多个翅板。

6.根据权利要求5所述的高压空气大流量现场校准装置，其特征在于：所述冷却水系统包括水箱、水泵、两套进回水系统；两套进回水系统中的两个进水管将外层水套上的进水口通过水泵与水箱连通，同时也将中心进水管上的进水口通过水泵与水箱连通；两套进回水系统中的两个回水管将外层水套上的出水口与水箱连通，同时也将中心进水管上的出水口与水箱连通；

其中，水泵的两端均设置有截止阀。

7.根据权利要求6所述的高压空气大流量现场校准装置，其特征在于：所述高压气源系统包括空气压缩机、干燥器以及多个高压空气瓶；空气压缩机通过干燥器向多个高压气瓶供气。

8.根据权利要求7所述的高压空气大流量现场校准装置，其特征在于：所述标准容器上还设置有排气管路，排气管路上安装有排气阀。

9.基于权利要求1-8任一权利要求所述的高压空气大流量现场校准装置的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)被校空气流量计的初级校准；

接通初级校准选择阀，关闭次级校准选择阀；

设定高压气体的压力P≤12MPa，流量Q≤10kg/s；

高压空气通过调压装置进入稳压整流装置，经过稳压整流装置后进入被校空气流量计；

当通过被校空气流量计的空气压力未达到稳定时，直接通过快速换向阀与大气相连的排出口排入大气中；

当被校空气流量计的空气压力达到稳定时快速换向阀执行“换入”动作，空气流入标准容器，在空气开始流入标准容器时刻自动开始计时，经过一段时间后快速换向阀执行“换出”动作，在空气停止流入标准容器时刻自动停止计时，获得时间t；根据标准容器中的压力P、体积V、温度T获得空气质量m，最后m和t相除获得被校空气流量计平均流量，即完成了被校空气流量计的初级校准；

2)被校空气流量计的次级校准；

2.1)根据步骤1)获得的被校空气流量计平均流量以及实际工作中高压气体大流量的需求，准备多个标准音速喷嘴，分别安装在流量次级标准系统的多个并联的分支管路上；标准音速喷嘴的选取原则是：

A：标准音速喷嘴的平均流量大小与被校空气流量计平均流量大小相适应；

B：多个标准音速喷嘴的平均流量大小之和为实际工作中高压气体通过被校空气流量计的流量大小；

2.2)接通次级校准选择阀，关闭初级校准选择阀；

设定高压气体的压力P≤23MPa，流量Q≤60kg/s；

高压气体通过调压装置进入稳压整流装置，经过稳压整流装置后进入被校空气流量计；

当通过被校空气流量计的空气压力未达到稳定时，高压气体从被校空气流量计流出后进入多个标准音速喷嘴，从标准音速喷嘴流出后直接排入大气；

当被校空气流量计和多个标准音速喷嘴的空气压力达到稳定后，记录多个标准音速喷嘴的各自气体平均流量，将多个标准音速喷嘴的各自平均气体流量相加得到实际通过的高压气体流量Q；同时读取被校空气流量计测量的流量大小为Q1；

通过比对法将Q和Q1进行计算，获取最终被校空气流量计的校准系数，次级校准完成。

Images