CN116007716A - 一种高稳定性微小液体流量源的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本公开的高稳定性微小液体流量源的测量装置及测量方法，通过变频齿轮泵的前端和所述水箱连通、后端与所述压力容器的进口连通；所述液位计设置在所述压力容器的上端，与所述控制器和所述变频齿轮泵电联接组成闭环控制系统；所述压力控制器设置在所述压力容器的上端，与所述气源相连通；所述压力控制器分别与所述控制器和所述节流前压力传感器电连接组成气体压力调控系统；所述节流件的前端设置有所述节流前压力传感器，后端连接所述被校流量计的前端，所述被校流量计的后端和所述流量测量标准相连接。能够实现(50～500)mL/min流量范围的微小液体流量源的形成，并有效提高微小液体流量的流量源稳定性。

Description

一种高稳定性微小液体流量源的测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于液体流量计量技术领域，特别涉及一种高稳定性微小液体流量源的测量装置及其方法。

背景技术

液体流量标准装置可以分为静态质量法、静态容积法、动态质量法和动态容积法液体流量标准装置。无论是哪一种形式的流量标准装置，流量稳定性是流量标准装置的一个独立性能指标，关系到流量量值传递、溯源的统一性和正确性。为了达到流量源的稳定性，普遍采用的方法有水塔式流量源、变频稳压式流量源和活塞驱动式流量源。

水塔式流量源，也可称为恒水头法流量源，如图1所示的静态质量法液体流量标准装置(图1中水池1，水泵2，上水阀3，上水管4，水塔5，溢流管6，截止阀7，试验管路8，流量调节阀9，喷嘴10，换向器11，旁通管12，容器13，衡器14，放水阀15，回水管16)，它是利用重力原理以恒液位的高位水塔作为高稳定性的恒压水源，它能获得非常好的流体稳定性。但具有建造高位水塔所需投资多、建造周期长、占地空间大、高度(即压力)亦有限制、无法标定热流量等缺点。故对于高等院校及某些流量仪表生产厂、工业研究单位等极感不便，甚至难以采用。但由于其具有较高的流量稳定性，故仍被国外高性能流量装置普遍采用。由于水源压力受到水塔高度限制，所以压力不会很高，一般在4×10-5Pa以下。因此对一定的管道来说，雷诺数较低，要提高雷诺数数量级很困难，这限制了水塔稳压方法的进一步发展。

变频稳压式流量源，图2所示的变频稳压式流量标准装置(图2中的水池1，水泵2，上位机3，变频器4，稳压容器5，阀门6，标准流量计7，阀门8，被检流量计9，调节阀组10，换向器11，称量容器12，底阀13)，是随着变频调速技术的发展和广泛应用而新发展起来的，流量标准装置用变频器调节水泵转速，通过压力变送器检测泵出口压力的波动情况，与变频器构成闭环控制系统，控制流量装置管路系统压力保持恒定，达到稳压的目的。也有的是采用变频加容器稳压的方法，直接用离心泵建立压力系统，然后采用高频衰减管路(或衰减容器)消除泵出口处流体的高频脉动，用变频调速技术实现流量的连续调节。因而在变频调速中，无须安装流量调节阀，这样消除了依靠管路中的流量调节阀所带来的流量性能变差及能量损失大的问题。另外，变频调速系统还能消除电网电压及电网频率的低频率脉动的影响。变频调速流量标准装置既省基建投资，又使运行能耗降低，且流量稳定的一种流量标准装置。但同时这种方法对于控制方案要求较高，实现起来不容易，并且变频调速法对液泵的频率流量特性要求较高，易产生干扰信号。目前，变频加容器稳压法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。

活塞式流量源一般用以中小流量范围的场合。如图3所示的活塞驱动式流量标准装置(图3中的水池1，阀门2，被检流量计3，称量系统4，上位机5，控制系统6，丝杆运动机构7，电机驱动机构8，光栅测量系统9，活塞10，活塞缸11，底座12)是以活塞缸作为计量容积标准，装置通过步进电机驱动标准计量活塞缸活塞产生流体源，活塞缸与光栅尺配合构成流量测量系统，通过计算流体介质在一定测量时间内推动活塞排出活塞缸内流体体积来标定流量计。

其工作过程如下：首先，启动步进电机正转，推动活塞缸活塞前进，活塞缸左腔排出流体流经被检流量计流入称量容器——电子天平，在这个过程中，当步进电机启动到转速稳定时，启动上位机检定系统，开始采集被检流量计信号，同时记录活塞的初始位移，并开始计时；当流经被检流量计的流量达到预定值时，再次记录活塞位移，同时停止计时，记录检定时间，活塞两点位移之差乘以活塞的面积，就得到流经流量计的流体体积，除以测量时间，得到流经流量计的标准流量，流量计显示的流量与标准流量相比较，从而达到检定流量计的目的之后，启动步进电机反转，计量活塞缸活塞退回到起始位置。整个检定过程都由计算机进行控制，实现检定的自动化。

步进电机是将电脉冲信号转变为线位移或角位移的开环执行元件。在没有超载的情形下，电机的转速和停止的位置取决于脉冲数和脉冲信号的频率，而不受负载的影响，当步进电机驱动器接收到一个脉冲指令信号时，它就会驱动步进电机按预先设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，步进电机的旋转是以步距角一步一步运行的。所以，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

以上各流量源方式中，水塔式稳压方法常用于大流量工、对压力要求不大、被检流量计流阻较小的情况下，而对于小流量及压损较大的场合，则无法实现上限流量的形成；变频稳压式流量源一般也常用于较大流量的场合，可以实现变压力流量源的形成，但其流量稳定性易受泵频特性及电网频率的影响；活塞驱动式常用于中小流量的应用场合，并可通过电机的运转速度控制流量的大小，其流量稳定性主要受电机运行稳定性及活塞缸的加工精密度、活塞运动副的密封性能、摩擦系数一致性的影响，使用维护过程较为繁琐。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足之一，提供了一种高稳定性微小液体流量源的测量装置及测量方法，能够实现(50～500)mL/min流量范围的微小液体流量源的形成，并有效提高微小液体流量的流量源稳定性和扩展液体流量量程范围。

根据本公开的一方面，提出了一种高稳定性微小液体流量源的测量装置，所述装置包括：水箱，变频齿轮泵，控制器，液位计，压力控制器，气源，节流前压力传感器，节流件，被校流量计，流量测量标准，压力容器；

所述变频齿轮泵的前端和所述水箱连通、后端与所述压力容器的进口连通；

所述液位计设置在所述压力容器的上端，与所述控制器和所述变频齿轮泵电联接组成闭环控制系统；

所述压力控制器设置在所述压力容器的上端，与所述气源相连通；所述压力控制器分别与所述控制器和所述节流前压力传感器电连接组成气体压力调控系统；

所述节流件的前端设置有所述节流前压力传感器，后端连接所述被校流量计的前端，所述被校流量计的后端和所述流量测量标准相连接。

在一种可能的实现方式中，所述压力容器内的气体体积和液体的体积比为1：1。

在一种可能的实现方式中，所述压力容器的容积为15L，最大承受压力为1MPa。

在一种可能的实现方式中，所述节流件为孔板式节流件，孔径大小可调。

在一种可能的实现方式中，所述节流件的孔径大小为0.2mm～0.75mm。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括放气阀，所述放气阀设置在所述压力容器上端的气体容积部分，用于测量结束后排放所述压力容器内的气体。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括截止阀，分别设置在所述压力容器的出口和进口，用于调节所述压力容器的流入和流出的液体流量。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括被校前压力传感器和被校后温度传感器，分别设置在所述被校流量计的前端和后端。

根据本公开的另一方面，提出了一种高稳定性微小液体流量源的测量方法，所述方法包括：

打开压力容器的放气阀，启动变频齿轮泵，使水源内的液体注入到所述压力容器内的中间位置，关闭放气阀；

根据被测液体流量计算气体控制压力和节流件孔径的大小；

启动气源和压力控制器，按照计算的气体控制压力给压力控制器信号指令；

开启检定管路，使液体通过节流件注入到流量测量标准中；

开启变频齿轮泵，通过所述压力容器中的液位计的反馈信号调节所述变频齿轮泵的频率，使所述压力容器内的液体维持在±1mm的液位波动区间；

待液体流量达到稳定状态，持续一段稳定时间，使注入到流量测量标准中的液体不超过所述流量测量标准可测质量范围的三分之一；

采用大于50Hz的采集频率对电子天平质量示值进行采集，得到随时间变化的时间-质量数据；

利用最小二乘法对所述时间-质量数据进行回归分析，得到稳定状态下微小液体的平均流量值。

本公开的高稳定性微小液体流量源的测量装置，包括：水箱，变频齿轮泵，控制器，液位计，压力控制器，气源，节流前压力传感器，节流件，被校流量计，流量测量标准，压力容器；所述变频齿轮泵的前端和所述水箱连通、后端与所述压力容器的进口连通；所述液位计设置在所述压力容器的上端，与所述控制器和所述变频齿轮泵电联接组成闭环控制系统；所述压力控制器设置在所述压力容器的上端，与所述气源相连通；所述压力控制器分别与所述控制器和所述节流前压力传感器电连接组成气体压力调控系统；所述节流件的前端设置有所述节流前压力传感器，后端连接所述被校流量计的前端，所述被校流量计的后端和所述流量测量标准相连接。能够实现(50～500)mL/min流量范围的微小液体流量源的形成，并有效提高微小液体流量的流量源稳定性。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1示出了现有技术中的静态质量法液体流量标准装置的结构图；

图2示出了现有技术中的变频稳压式流量标准装置的结构图；

图3示出了现有技术中的活塞驱动式流量标准装置的结构图；

图4示出了根据本公开一实施例的高稳定性微小液体流量源的测量装置的结构图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图4示出了根据本公开一实施例的高稳定性微小液体流量源的测量装置的结构图。

如图4所示，该装置包括：水箱1，变频齿轮泵2，控制器3，液位计4，压力控制器5，气源6，放气阀7，截止阀9，节流前压力传感器9，节流件10，被校前压力传感器11，被校流量计12，被校后温度传感器13，流量测量标准14，压力容器15。

其中，压力容器15的容积大小为15L或约为15L，最大承受压力为1MPa，可满足节流件10产生相应流量的压力需要。如图4所示，压力容器15的进口和出口配备有截止阀8，用于调节压力容器15的流入和流出的液体流量。压力容器15中的气体部门的体积和液体的体积占比为1：1，例如，将液体注入到压力容器15的中间位置。压力容器15的上部为压缩空气，下部为液体。其中，液体可以为水、注射液等。

变频齿轮泵2的前端和水箱1连通、后端经截止阀8与压力容器15的进口连通。液位计4设置在压力容器15的上端，与控制器3和变频齿轮泵2电联接组成闭环控制系统，用于保持压力容器15内的液体位置基本保持在同一位置。其中，控制器3可以为PID控制器。例如在试验过程中，由于压力容器15内液体介质的不断消耗导致液位不断下降，这会导致压力容器15出口处的压力值因液体高度的降低而变小，变频齿轮泵2通过检测液位计4的测量值的变化实时调节齿轮泵的速度来调节注入液体的流量，使压力容器15内的液位值基本保持在同一水平。

压力控制器5设置在压力容器15的上端，与气源6相连通。压力控制器5分别与控制器3和节流前压力传感器9电连接组成气体压力调控系统。其中，压力控制器5可以为ER5000压力控制器，通过ER5000压力控制器控制压力容器15内的气体压力。压力容器15的气体压力可以通过节流前压力传感器9进行测量及反馈，基于PID控制器可实现重复性高、准确、快速响应且稳定可靠的自动化闭环气体压力控制。

如图4所示，放气阀7设置在压力容器15上端的气体容积部分，用于测量结束后排放所述压力容器内的气体。

如图4所示，节流件10的前端设置有节流前压力传感器9，后端连接被校流量计12的前端，被校流量计12的后端和流量测量标准14相连接。其中，节流前压力传感器9可以为高精度3051S型压力传感器，以作为压力控制器5的外部压力输入及目标调控对象。

节流件10可以为孔板式节流件，孔径大小可调，范围为0.2mm～0.75mm，通过压力容器15内的气体压力的实时调整及液体高度实时补偿，能够使节流件10前压保持恒定。

其中，液体流量的大小可通过气压的控制及节流件10孔径的大小进行调整，液体流量大小可以有下式关系：

由式可知，在系统管路和节流件10均固定的状态下，液体流量大小和节流件10前后的压成的平方根成正比

在一定程度上降低了气体压力波动对液体流量稳定性的影响量。根据目前气体流量调制经验，压力控制器将气体压力稳定度可控制0.05％以内，根据本发明的装置可将流量源的稳定度控制在0.025％。除此之外，液体流量的稳定性还受到液体高度的影响，由于采用了变频齿轮泵2实时控制液面高度的变化，即在液体流量输出过程中，造成节流件10压力差会因所控制的液体高度的变化而略有波动，经计算在此流量范围内，当液体高度差80Pa时，会引起0.01％的流量波动，折合液体高度8mm，即当压力容器直径不小于200mm时，由液体高度变化引起的流量波动可忽略不计。

由于气体压力控制器5的进气和排气能力CV＝0.01，在工况0.6MPa液体流量下其最大流通能力约2000mL/min，可保证在(50～500)mL/min的容器内的气体和液体的等量交换，确保调制准确度及响应时间。如表1所示的各节流件10孔径和所能调制得到的流量范围可知，调节压力范围在(0.10～0.65)MPa时，节流件10孔径在(0.2～0.75)mm之间能够覆盖的所需流量范围。

表1

如图4所示，被校前压力传感器11设置在被校流量计12的前端，用于检测经过节流件10调制后得到的稳定液体流量源流经被校流量计12之前的被校前压；被校后温度传感器13设置在被校流量计12的后端，用于检测经被校流量计12校正后的稳定液体流量源流的温度。在被校流量计12校正的稳定液体流量源流注入后端连接流量测量标准14，采用动态质量法获取流经被校流量计12的标准流量值，通过与被校流量计12的流量显示值比对，完成流量计的校准过程。

根据本公开的另一方面，提出了一种利用高稳定性微小液体流量源的测量装置进行微小液体流量源的测量方法，该方法可以包括：

打开压力容器的放气阀，启动变频齿轮泵，使水源内的液体注入到所述压力容器内的中间位置，停止注入液体并关闭放气阀。

根据被测液体流量计算气体控制压力和节流件孔径的大小，通过相匹配的压力与孔径来控制被校流量大小。

按照检定的流程需要将被检流量计、流量测量标准等部件连接完成。

启动气源和压力控制器，按照计算的气体控制压力给压力控制器信号指令。

并开启检定管路，使液体通过节流件注入到流量测量标准中。

开启变频齿轮泵，通过所述压力容器中的液位计的反馈信号调节变频齿轮泵的频率，使所述压力容器内的液体维持在±1mm的液位波动区间。在该±1mm的液位波动区间内，液位高度的变化对节流件流量的影响可以忽略，此时进行稳定时间段。

待液体流量达到稳定状态，持续一段稳定时间，使注入到流量测量标准中的液体不超过所述流量测量标准可测质量范围的三分之一。其中，稳定状态可以通过节流前压力传感器的稳定性是否满足0.05％的波动，以及被检流量计的示值输出的稳定性来判定。稳定时间段时间不宜过长，否则会造成流量测量标准中收集的水量过多而造成溢出，在稳定时间段内的累计流量应不超过流量测量标准可测量质量范围的1/3。

稳定时间段结束后，进入检定时间段，采用大于50Hz的采集频率对电子天平质量示值进行采集，得到随时间变化的不低于10s时长的时间-质量数据。

根据实时测量得到的天平数据(时间-质量数据)，利用最小二乘法对所述时间-质量数据进行回归分析，得到斜率为q的时间-质量直线，直线的斜率代表了稳定状态下微小液体的平均流量值。

本公开的高稳定性微小液体流量源的测量装置及其测量方法的有益效果如下：

(1)提高微小流量源的稳定性。能够避免水塔式稳压方法造成的差压不足导致流量无法有效提高、主动活塞体积管式活塞密封、摩擦力不均导致稳定性下降等多方面的缺点，充分利用高动态性高稳定性的气体压力控制器结合液位控制的优势，并利用无可动部件的节流件，大幅提高了整体可靠性。经分析，其稳定性可控制在0.025％以内，明显优于变频调速及主动活塞式的普遍(0.1～0.2)％的稳定性水平。

(2)提高微小流量源的稳定性。通过由气体压力控制器控制节流件的前压，其压力的可调范围较宽，在(0.05～0.7)MPa之间连续可调；其次，节流孔径由节流件决定，只要更换不同孔径大小的节流元件配合相应的压力控制即可得到所需大小的流量源，能够便于扩展流量量程范围。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高稳定性微小液体流量源的测量装置，其特征在于，所述装置包括：水箱，变频齿轮泵，控制器，液位计，压力控制器，气源，节流前压力传感器，节流件，被校流量计，流量测量标准，压力容器；

所述变频齿轮泵的前端和所述水箱连通、后端与所述压力容器的进口连通；

所述液位计设置在所述压力容器的上端，与所述控制器和所述变频齿轮泵电联接组成闭环控制系统；

所述压力控制器设置在所述压力容器的上端，与所述气源相连通；所述压力控制器分别与所述控制器和所述节流前压力传感器电连接组成气体压力调控系统；

所述节流件的前端设置有所述节流前压力传感器，后端连接所述被校流量计的前端，所述被校流量计的后端和所述流量测量标准相连接。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述压力容器内的气体体积和液体的体积比为1：1。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述压力容器的容积为15L，最大承受压力为1MPa。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述节流件为孔板式节流件，孔径大小可调。

5.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述节流件的孔径大小为0.2mm～0.75mm。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述装置还包括放气阀，所述放气阀设置在所述压力容器上端的气体容积部分，用于测量结束后排放所述压力容器内的气体。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述装置还包括截止阀，分别设置在所述压力容器的出口和进口，用于调节所述压力容器的流入和流出的液体流量。

8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述装置还包括被校前压力传感器和被校后温度传感器，分别设置在所述被校流量计的前端和后端。

9.一种高稳定性微小液体流量源的测量方法，其特征在于，所述方法包括：

打开压力容器的放气阀，启动变频齿轮泵，使水源内的液体注入到所述压力容器内的中间位置，关闭放气阀；

根据被测液体流量计算气体控制压力和节流件孔径的大小；

启动气源和压力控制器，按照计算的气体控制压力给压力控制器信号指令；

开启检定管路，使液体通过节流件注入到流量测量标准中；

开启变频齿轮泵，通过所述压力容器中的液位计的反馈信号调节所述变频齿轮泵的频率，使所述压力容器内的液体维持在±1mm的液位波动区间；

待液体流量达到稳定状态，持续一段稳定时间，使注入到流量测量标准中的液体不超过所述流量测量标准可测质量范围的三分之一；

采用大于50Hz的采集频率对电子天平质量示值进行采集，得到随时间变化的时间-质量数据；

利用最小二乘法对所述时间-质量数据进行回归分析，得到稳定状态下微小液体的平均流量值。

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