CN215984776U - 低温流体流量测量与标定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种低温流体流量测量与标定装置，本实用新型通过设计的两个过冷器，可保证介质在进入待测元件和称重系统之前为纯液态，结合标准表对比法和称重法，为深低温领域提供了一种结构简单，精度高的测量和标定装置。实现了真正意义上的实际工作状态下的测量与标定,本装置可使标定工况与实际工况一致,标定过程无需进行工况换算，比如流量计实际工况是0.6MPa，83K下进行工作，那么可直接将标定系统调整到0.6MPa，83K工况下,对流量计等进行测量与标定。同时提供了两个功能，可分别对流量计和低温泵进行测试、计量、标定，也可一次运行同时测试标定流量计和低温泵，效率高，成本低。本实用新型的结构可实现多条路径选择，尽可能的降低标定成本。

Description

低温流体流量测量与标定装置

技术领域

本实用新型涉及流量标定技术领域，具体来说是低温流体流量测量与标定装置。

背景技术

在科研及工业深低温领域，液氮作为一种常规的深低温冷源经常被应用；在整个低温液氮系统中，流量测量的准确度具有极其重要的意义；换言之，也就是对其中所使用的液氮流量计进行校准标定，达到我们所需的精度。在常用的流量计标定装置中，基本原理通常采用容积法、称重法和标准表法进行，其中，对于流量较大的系统中，基本均采用称重法及标准表法。

标准表法其原理如图1所示。该方法需首先确定一台经过精密标定的流量计，将其与被测流量计串联在同一管道上，从而测量流体在相同时间间隔内连续通过这两个流量计的流量值，进而求出其测量误差，在误差经过修正后，对被测流量计的计量性能给出对应的评价。此种标定方法的优点在于：标定人员能够通过简单可靠的操作，大幅度的提高标定效率，但该标定方法会受到标准流量计精度等级的限制。

称重法其基本原理如图2所示。根据一定时间内称重容器所收集的液体质量、所需时间及其它相关数据计算求得液体流量，进而评价被测流量计的计量性能；具体又可以细分为停止法和动态法两种。

停止法是指在一定的时间内使流体从被测流量计进入称量收集容器内，计时一定时间后，在流入收集容器的液体完全停止流入的前提下，测出该时间段内经流量计进入容器内液体的总质量，液体的当前密度可查，进而计算出进入容器内液体的体积，最终求出本次标定的流量,与流量计的显示值进行对比评价；

动态法指的在液体稳态流动情况下，记录一段时间内，称重收集容器液体增加的质量，进而可以计算出当前稳态的流量,来与流量计显示值进行对比评价；

对比上述停止法和动态法可知，停止法误差在于流量计至称重容器之间的管路及管件中可能会残余部分液体，其通过了流量计，但并未进入称重容器内，同时停止法仅仅适用于测量累计流量和平均流量，不适合测量瞬时流量。因此,动态法及标准表法两种原理常用于标定系统中；

基于以上两种基本标定原理，现有技术中出现多种标定方法，如申请号为CN201810233988.4公开的一种低温流量计的标定方法及装置，该方法及装置首先控制低温流体流过待测低温流量计，然后对经待测低温流量计流出的低温流体进行加热，使其从低温恢复至常温，对加热后的常温流体进行常温流体标定，并由常温流体的标定数据进行换算后对待测低温流量计进行标定评价。总而言之,该装置是通过将低温液体加热转为常温流体后对利用常温流体进行标定，然后反推低温流体流量计的标定结果。由于换算误差的存在,该装置依然存在标定精度的问题。

众所周知，液氮、液化天燃气等低温液体在管道流动时因漏热会发生汽化，使用现有装置无法使其中液体保持纯液态，常温下的标准表法和称重法均无法完成高精度标定。如航天领域所用到的低温推进剂，需要精准掌握推进剂的加注的流量、流速等信息；工业领域中液态天燃气加注的累计流量、实时流量均直接关系结算的精确度。但是，目前科研和工业深低温领域常规采用类比标定法，即用常温水进行标定，然后类比低温下工况进行流量换算,这种方法显然无法实现0.2‰的标定精度。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于如何提供一种针对深低温领域的高精度流量标定装置。

本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

一种低温流体流量测量与标定装置，包括储液杜瓦1、低温泵2、第一过冷器3、第二过冷器5、测试箱4、称重系统6；所述储液杜瓦1的出口端与低温泵2的进口连接，所述测试箱4的进口与出口分别与低温泵2的出口端、称重系统6的进口连接；所述第一过冷器3的出口与进口分别连接至低温泵2与测试箱4之间的管路上，第二过冷器5 的出口和进口分别连接至测试箱4与称重系统6之间的管路上；在低温泵2与测试箱4 之间的管路位于第一过冷器3的进口与出口之间设置有低温阀8，在测试箱4与称重系统6之间的管路位于第二过冷器5的进口与出口之间设置有低温阀8；所述第一过冷器 3的出口管路上安装有低温阀8，所述第二过冷器5的进口管路和出口管路上均安装有低温阀8；所述测试箱4内安装待测元件42。

本实用新型通过设计的两个过冷器，可保证介质在进入待测元件和称重系统之前为纯液态，结合标准表对比法和称重法，为深低温领域提供了一种结构简单，精度高的测量和标定装置，实现了真正意义上的实际工作状态下的测量与标定,本装置可使标定工况与实际工况一致,标定过程无需进行工况换算，比如流量计实际工况是0.6MPa，83K 下进行工作，那么可直接将标定系统调整到0.6MPa，83K工况下,对流量计等进行测量与标定。该装置体积小，结构简单，便于搭建。同时提供了两个功能，可分别对流量计和低温泵进行测试、计量与标定，也可一次运行同时标定流量计和低温泵，效率高，成本低。本实用新型的结构可实现多条路径选择，根据介质不同，选择不同路径，尽可能的降低标定成本。

进一步的，所述测试箱4包括标准元件41安装位、待测元件42安装位；所述标准元件41安装位安装标准元件，待测元件42安装位安装待测元件42，低温液体依次经过标准元件41和待测元件42，或依次经过待测元件42和标准元件41。

进一步的，所述称重系统6包括测力元件61、测重罐62、安装支架63、保护罩64；所述安装支架63固定在储液杜瓦1的瓶口，所述测力元件61顶部固定的固定支架上，测重罐62悬挂在测力元件61底部的拉杆上，所述保护罩64倒扣在储液杜瓦1的瓶口密封固定，所述测力元件61、安装支架63、测重罐62位于保护罩64与储液杜瓦1形成的密封腔内；测试箱4的出口端与测重罐62的进口连接，测重罐62的排液口与储液杜瓦1内腔连通。

进一步的，所述测重罐62悬挂在储液杜瓦1内腔；所述测重罐62的底部高于储液杜瓦1内的液面；所述测重罐62的底部设置有出液口67，出液口67安装有气动阀。

进一步的，所述测力元件61的拉杆上还可拆卸安装有标准砝码块65，可用于每次标定前，对测力元件进行校准，增加系统的标定精度。

进一步的，所述低温泵2的出口端还通过回流管与储液杜瓦1的进口连通；在回流管上安装有回流控制阀9，整个系统进行小流量循环标定时，可以使用该回流管路进行旁通回流。

进一步的，还包括自动控压装置；所述自动控压装置包括增压罐10、加热元件11、控制器；所述控制器控制加热元件11对增压罐加热使其内液体汽化，来控制整个循环系统的运行压力；所述增压罐10包括排气口，排气口与储液杜瓦1内腔连通。

进一步的，所述增压罐10位于储液杜瓦1内腔，增压罐10的罐体顶部开设有排气口。

进一步的，所述自动控压装置还包括控制器、压力传感器；所述压力传感器安装在储液杜瓦1的瓶口处，测量储液杜瓦1内部压力，所述压力传感器与控制器通信连接，所述控制器控制加热元件11启闭。

进一步的，所述第一过冷器3和第二过冷器5的结构相同；所述第一过冷器3包括过冷器杜瓦31、换热管32、真空泵33；所述过冷器杜瓦31内存储有液氮，换热管32 位于过冷器杜瓦31内，换热管32的进口端与低温泵2的出口端连接，换热管32的出口端与测试箱4的进口端连接；所述真空泵33通过管道与过冷器杜瓦31的排气口连接。

本实用新型的优点在于：

本实用新型通过设计的两个过冷器，可保证介质在进入待测元件和称重系统之前为纯液态(即过冷态)，结合标准对比法和称重法，为深低温领域提供了一种结构简单，精度高的测量和标定装置，实现了真正意义上的实际工作状态下的测量与标定,本装置可使标定工况与实际工况一致,标定过程无需进行工况换算，比如流量计实际工况是 0.6MPa，83K下进行工作，那么可直接将标定系统调整到0.6MPa，83K工况下,对流量计等进行测量与标定。该装置体积小，结构简单，便于搭建。同时提供了两个功能，可分别对流量计和低温泵进行标定，也可一次运行同时标定流量计和低温泵，效率高，成本低。本实用新型的结构可实现多条路径选择，根据介质不同，选择不同路径，尽可能的降低标定成本。

本实用新型的称重系统将称重罐悬吊在储液杜瓦内，利用储液杜瓦的绝热性能，降低对称重罐的要求，一般单层罐体即可，即能减小整个装置的体积，又能节约成本，一举多得，采用保护罩的方式降低密封难度，保证了储液杜瓦内部压力和温度。

采用多个砝码块，可在系统运行前对称重元件进行标定，保证最终结果的精度。

通过回流管路的设计，可通过调整低温泵变频器频率及回液阀的开度，实现不同压力条件下，不同液氮流量的调节，可选择一台大流量的低温泵适用多种工况，降低了使用成本。

通过对过冷器减压抽空，可实现对其内的液氮降温，从而使管路中的液氮获得冷量，保证液氮的纯液态，当然还适用于LNG等其他低温流体。

基于该装置，可实现对流量计、低温泵、流量计+低温泵的测试、计量与标定，标定方法简单，易操作。

附图说明

图1为本实用新型背景技术中介绍的标准表法标定原理图；

图2为本实用新型背景技术中介绍的称重法标定原理图；

图3为本实用新型具体实施方式中低温流量计测量与标定装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图3所示，本实施例示出一种低温流体流量测量与标定装置，可以用于液氮、液化天燃气等其他低温流体流量计的测量和标定。包括储液杜瓦1、低温泵2、第一过冷器3、第二过冷器5、测试箱4、称重系统6；储液杜瓦1的出口端与低温泵2的进口连接，测试箱4的进口与出口分别与低温泵2的出口端、称重系统6的进口连接；第一过冷器3的出口与进口分别连接至低温泵2与测试箱4之间的管路上，第二过冷器5的出口和进口分别连接至测试箱4与称重系统6之间的管路上；在低温泵2与测试箱4之间的管路位于第一过冷器3的进口与出口之间设置有低温阀8，在测试箱4与称重系统6 之间的管路位于第二过冷器5的进口与出口之间设置有低温阀8；第一过冷器3的出口管路上安装有低温阀8，第二过冷器5的进口管路和出口管路上均安装有低温阀8。测试箱4内安装待测元件42。通过调节管路上的多个低温阀8启闭，可实现至少4个路径：

路径1：储液杜瓦1-低温泵2-测试箱4-称重系统6；

路径2：储液杜瓦1-低温泵2-第一过冷器3-测试箱4-称重系统6；

路径3：储液杜瓦1-低温泵2-测试箱4-第二过冷器5-称重系统6；

路径4：储液杜瓦1-低温泵2-第一过冷器3-测试箱4-第二过冷器5-称重系统6；

以上4个路径，根据实际测试需要选择。以液氮为例，为了保证全路径的液氮的单一相，可选择路径2、路径3、路径4，为保险起见，本实施例选择路径4，使得进入测试箱4和进入称重系统6之前的液氮为纯液体，提高测量和标定精度。当然，整个装置中设置有多个低温阀8、温度计7、压力计，均为常规设置，此处不再一一详述。

本实施例中，测试箱4包括标准元件安装位、待测元件安装位；也就是在管道上预留好标准元件41和待测元件42的安装位，标准元件41安装位安装有标准的元件，待测元件42安装在待测元件42安装位，低温液体依次经过标准元件41和待测元件42，或依次经过待测元件42和标准元件41。

本实施例中，称重系统6包括测力元件61、测重罐62、安装支架63、保护罩64；安装支架63大体呈倒置的U型，在储液杜瓦1的瓶口处安装有法兰，安装支架63可通过螺栓或焊接固定在法兰上。测力元件61可以为拉力计或者是弹簧秤等。测力元件61 顶部的拉杆固定在安装支架63的横梁上，测重罐62悬挂在测力元件61底部的拉杆上，保护罩64倒扣在储液杜瓦1的瓶口与法兰密封固定，法兰中间具有通孔，测力元件61 底部的拉杆通过通孔伸入储液杜瓦1内腔，使测重罐62悬挂在储液杜瓦1内腔；测重罐62的底部高于储液杜瓦1内的液面，以免浮力影响称重；测重罐62的底部设置有出液口67，出液口67安装有气动阀。上述的称重系统6，通过保护罩64与储液杜瓦1瓶口法兰密封连接，可直接采用单层罐体作为测重罐62，悬挂在储液杜瓦1内腔，既能够利用储液杜瓦1的绝热保温功能，保证测重罐62内的液氮不汽化，又能降低成本；通过气动阀的设置，可使得测重罐62内的液氮快速排至储液杜瓦1内，减少管路路径，减少液氮的损耗，节约标定成本。法兰与储液杜瓦1瓶口的安装方式为常规结构，不再详述。为了降低液氮冲击测重罐62内造成抖动影响测量精度，本实施例通过将测重罐 62的进液管延长至测重罐62的底部，并在进液管的底端设置缓流器66。

为了确保测力元件61的准确性，本实施例在测力元件61底部的拉杆上还安装有可拆卸标准砝码块65。标准砝码块65为多块，砝码块65的重量一定并已知，通过增减砝码块65可检测测力元件61的精度。如减少一块10kg的砝码块65，测力元件61读数减少10kg，或误差在一定范围内，则表示测力元件61精度符合要求。砝码块65与拉杆的可拆式装配结构为常规结构，如在拉杆上设置一挡块，砝码块65上开设有缺口，将砝码块65的缺口与拉杆配合后放置在挡块上，即可实现砝码块65的固定，类似于磅秤的秤砣。一般情况下，砝码块65位于测重罐62的上方。

低温泵2为整个装置标定循环系统的动力源，但是由于不同流量计的标定对低温泵 2的流量范围及扬程要求都不同，为了扩大应用范围，会选择较大流量及扬程的低温泵2，通过回流管来调节流量。具体为，低温泵2的出口端通过回流管与储液杜瓦1的进口连通；在回流管上安装有回流控制阀9。使用时，系统启动后，管路上的阀门都是打开的，然后调节回流控制阀9和测试箱4上游的低温阀8，可使进入循环的液氮流量符合要求，多余的液氮从回流管回流至储液杜瓦1。

本实施例中，还设置有自动控压装置，包括增压罐10、补液阀、排气阀、加热元件11、引压管道、控制器；加热元件11位于增压罐内，控制器控制加热元件11对增压罐加热；增压罐10通过悬吊件悬吊在储液杜瓦1内，具体悬吊方式可在法兰下表面固定悬吊杆，增压罐与悬吊杆固定即可。通过在增压罐10上开设排气口，可直接将高压气体排至储液杜瓦1内对其增压。增压罐10的所有管路可通过在法兰上开设的一个孔穿出。当然，为了自动控制，在管路上及储液杜瓦1上均设置有多个压力计，压力计与控制器通信连接，控制器与加热元件11、补液阀、排气阀通信连接，控制器根据当前压力信息，判断是否要对储液杜瓦1进行增压，如果需要，则启动加热元件11对增压罐进行加热，然后将汽化的氮气输入至储液杜瓦1内，直至压力符合要求停止输气。通过将增压罐10悬吊在储液杜瓦1内，既可以减小整个装置的体积，又可以利用储液杜瓦1 本身的绝热性能保证增压罐内液氮的温度，可降低对增压罐的技术要求，一般采用单层罐体即可，节约成本。

本实施例中，第一过冷器3和第二过冷器5的结构相同；以第一过冷器3为例介绍结构：

第一过冷器3包括过冷器杜瓦31、换热管32、真空泵33；过冷器杜瓦31内存储有液氮，换热管32位于过冷器杜瓦31内，换热管32的进口端与低温泵2的出口端连接，换热管32的出口端与测试箱4的进口端连接；真空泵33通过管道与过冷器杜瓦31的排气口连接。通过对过冷器杜瓦31抽真空，降低其内液氮温度，从而降低换热管32内的液氮温度，保证换热管内液氮的纯液态状。第二过冷器5保证进入称重系统6的液氮单一相，提高标定精度。

本实施例中，储液杜瓦、称重系统、过冷器及换热器、液氮输液管线、流量计测试箱、低温泵均集成在撬装平台上形成整体。产品体积小，便于移动。

针对上述装置，本实施例还提供一种使用方法，方法包括对流量计的标定和对低温泵2的测试标定。对于流量计的标定包括以下步骤，根据不同介质从上述4个路径中选取适合的路径，本实施例以路径4为例：

步骤1、将待测元件42安装至测试箱4内的工位上，选择满足需求的低温泵2安装至设定位置；

步骤2、对整个装置进行抽真空，包括储液杜瓦、第一过冷器3、第二过冷器5、测重罐62、装置管道；

步骤3、对第一过冷器3、第二过冷器5、储液杜瓦1进行液氮加注，并利用真空泵 33进行减压抽空，将第一过冷器3、第二过冷器5的液氮温度降至设定温度；

步骤4、通过自动控压装置将储液杜瓦1内的压力调节至设定压力；

步骤5、启动低温泵2驱动储液杜瓦1内的液氮开始循环，液氮从第一过冷器3中获得冷量保持单一的液相进入待标定元件，流出后进入第二过冷器5从而保持单一液相进入称重系统6，从称重罐底部排液口回储液杜瓦1完成整个循环；

步骤6、当流量稳定后，关闭称重系统6的排液口同时开始计时，计量一定时间内流入称重系统的液氮重量，进而对比待测元件42的读数进行标定，与此同时，对比标准元件41与待测元件42的读数差，进行实时瞬时的流量标定。

以路径4为例，对低温泵2的标定包括以下步骤：

步骤1、将待测低温泵安装至工位，选择对应的标准流量计安装至对应工位；

步骤2、对整个装置进行抽真空，包括储液杜瓦1、第一过冷器3、第二过冷器5、测重罐62、装置管道；

步骤3、对第一过冷器3、第二过冷器5、储液杜瓦1进行液氮加注，并利用真空泵 33进行减压抽空，将第一过冷器3、第二过冷器5的液氮温度降至设定温度；

步骤4、通过自动控压装置将储液杜瓦1内的压力调节至设计压力；

步骤5、启动待测低温泵2驱动储液杜瓦1内的液氮开始循环，液氮从第一过冷器3中获得冷量保持单一的液相进入标准流量计，流出后进入第二过冷器5从而保持单一液相进入称重系统6，从称重罐底部排液口回储液杜瓦1完成整个循环；

步骤6、当流量稳定后，关闭称重系统6的排液口同时开始计时，计量一定时间内流入称重系统的液氮重量，进而对比标准流量计的读数进行标定，是否符合待测低温泵设定流量。同时，记录对应转速，可拟绘出低温泵的整个流量特性曲线。

当然，还可以同时对流量计和低温泵进行测试标定，方法如下：

步骤1、将待测低温泵和流量计安装至工位，选择对应的标准流量计安装至对应工位；

步骤2、对整个装置进行抽真空，包括储液杜瓦1、第一过冷器3、第二过冷器5、测重罐62、装置管道；

步骤3、对第一过冷器3、第二过冷器5、储液杜瓦1进行液氮加注，并将第一过冷器3、第二过冷器5的液氮温度降至设定温度；

步骤4、将储液杜瓦1内的压力调节至设计压力；

步骤5、启动待测低温泵2驱动储液杜瓦1内的液氮开始循环，液氮从第一过冷器 3中获得冷量保持单一的液相进入标准流量计，流出后进入第二过冷器5从而保持单一液相进入称重系统6，从称重罐底部排液口回储液杜瓦1完成整个循环；

步骤6、当流量稳定后，关闭称重系统6的排液口同时开始计时，计量一定时间内流入称重系统的液氮重量，进而对比标准流量计的读数进行标定，是否符合待测低温泵设定流量以及流量计的流量，绘制出流量特性曲线。与此同时，对比标准元件41与待测元件42的读数差，进行实时瞬时的流量标定。

本实施例技术在试验过程中，各个部件的选取标准如下：

1、储液杜瓦

储液杜瓦是整个标定系统的核心，其不仅承担储存整个循环系统液氮的任务，很多重要部件也集成其中，其主要由上盖板组件及杜瓦筒体组成；上盖板组件由上盖板法兰、称重系统、自动控压装置、低温阀门、压力温度测量传感器及其它安全组件组成。其中称重系统包括高精度测力传感器(量程0-200kg、精度0.02％F S、使用温度-30～150℃)、称重罐、标准砝码块及注排液阀组成，称重罐通过测力传感器吊装在上盖板法兰上测量增加的液氮重量，标准砝码块用于在标定前校准测力元件。

杜瓦筒体为采用真空双层绝热的方式，其形式为广口杜瓦；内胆设计压力1.2MPa，材料为SUS304，内径φ1050mm，高度1945mm，内壁厚度6mm，底部为封头结构，属于压力容器，需要用特殊的焊接工艺及打压测试；夹层为真空，外胆承受0.1MPa的外压，材料为SUS304，经过设计计算及ANSYS模拟，外筒的尺寸为φ1160mm，高度2225mm，厚度为4mm，底部也为封头结构。

2、自动控压装置

低温泵只是为了克服系统流阻，提供整个循环系统动力；因此，系统增控压需要通过控压装置进行，流量计的标定的前提是储液杜瓦内压力和温度要与待标定元件匹配好。

自动控压装置可自动为整个循环系统增控压，使循环系统稳定在所需要的标定压力；

自动控压装置中保持一定的压力，高于回流液氮的饱和蒸气压，进一步确保回流液氮过冷而无气泡产生。自动控压装置中设有加热器，通过加热容器中的液氮使自动控压装置中保持较高的压力，自动控压装置与主储液杜瓦连通，从而把压力传递到循环系统，压力范围为0.15～1.0MPa(表压)，其对应液氮的饱和温度为86～96K。

在循环过程中，由于一定的系统泄漏，控压装置内的液氮会慢慢减少。当自动控压装置中液氮减少到设定值时(由液面计监控)，提示液氮储槽向自动控压装置内补充液氮。

控压容器的工作压力范围为0.15～0.5MPa，常用工作压力为0.6MPa，设计压力为1.0MPa内压。其材料为SUS304，设计容量为28L。

3、低温泵选择

低温泵为整个流量标定循环系统提供动力源，进行选择匹配时，主要考虑泵的流量范围及扬程，也就是泵的流量特性曲线应尽量满足整个系统需求；

根据整个系统的设计要求，需要实现液氮10～100L/min(0.6MPa)范围内调节，为液氮泵配备变频器进行流量的调节，其可实现的流量范围应尽量覆盖上述调节范围；

低温泵的扬程主要是用来克服液氮流动时产生的流动阻力，即泵对应流量的扬程大于等于整个循环系统的压降；

ΔP＝ΔP_S+ΔP_N+ΔP_f

即

式中：ΔP—管道系统总压力降，kPa；ΔP_S—静压力降，kPa；ΔP_N—速度压力降，kPa；ΔP_f—摩擦压力降，kPa；Z₁、Z₂—分别为管道系统始端、终端的标高，m；u₁、u₂—分别为管道系统始端、终端的流体流速，m/s；u—流体平均流速，m/s；P——流体密度，kg/m³；h_f——管内摩擦损失的能量，J/kg；L、L_e——分别为管道的长度和阀门、管件等的当量长度，m；D——管道内直径，m。

根据设计要求，液氮的最大流量为100L/min，根据这个最大流量可以估算出整个系统总压降为584.53KPa，折算液氮柱高度约为72m，因此在选择液氮泵时，当其达到最大流量100L/min时，扬程应大于72m；查找低温液氮泵相关资料，选择了杭州新亚低温科技有限公司所生产的潜液式液氮泵；

选择潜液式这种液氮泵也是为了后期系统拓展使用，其配备独立的泵池，后期不仅能测试标定流量计的性能，还能对液氮泵进行测试；

4、过冷器及抽空泵

为了保证进入流量计及称重罐内的液氮为单一液相，需保持过冷态，因此设置了两组过冷器，分别设置在流量计及称重罐的入口端前，通过减压抽空的方式将过冷器中的液氮降低至75K，循环系统的高压循环液氮利用盘管换热器从过冷器中获得冷量；

过冷器主要由杜瓦筒体、低温阀门、过冷换热器、减压抽空泵、连接管道及其他温度压力安全测量组件组成。杜瓦筒体为采用真空双层绝热的方式，其形式为广口杜瓦；内胆设计压力0.2MPa，材料为SUS304，经过设计计算及ANSYS模拟，内径φ850mm，高度1742mm，内壁厚度3mm，底部为封头结构；夹层为真空，外胆承受0.1MPa的外压，材料为SUS304，冷箱外筒的尺寸为φ940mm，高度1825mm，厚度为4mm，底部也为封头结构。

试验希望过冷器内液氮达到75K，在这个温度下，计算出系统最大总热负载为5.2kW。 LN2的汽化潜热为201.1J/g，因为LN2的分子量是28，因此，为了维持75K，热负载5.2kW 需要汽化速度0.92mol/s

对应于75K的LN2饱和蒸汽压P约为0.017MPa。为了保持这个压力，泵在对应压力下的抽气速率必须满足。

如果真空泵在室温(295K),然后体积抽速为V：

由气体状态方程。

V＝nRT/P＝≈0.133m3/s

其中R为气体常数，T为泵内的气体温度。

对应0.017MPa下抽气能力应不低于133L/s(478m³/h)，取478m³/h，为两台过冷器各配备一台250m³/h单级旋片泵。

5、换热管

换热管内部为流动的高压过冷循环液氮，外部为75K低压液氮，管道内外的液氮通过换热器交换冷量，因此其需要承受一定的压力，又要有良好的导热性能。因此，在本套标定系统中，换热管采用紫铜管制作成盘管换热器的形式，根据设计要求最大承压1.2 MPa，计算选择规格型号为φ32×2的紫铜管进行制作。

压力1.0MPa、平均温度77K下，液氮的物性参数见表3。按照设计要求，计划换热器换热温差为，计算时我们设定换热器进口86K，出口83K，过冷器温度75K。

表10压力1MPa、平均温度80K下，液氮的热物性参数

换热管所需的换热面积及其它参数计算公式^[5]如下：

式中：L—换热管所需铜管长度，m；F—换热管所需换热面积，m²；Pr—普朗特数，对于液氮，Pr≥0.7，上式成立；Re—雷诺数；Q—冷却系统热负载，W，Q＝5.2KW；K —换热管传热系数，W·(m²·k)^-1；ΔT—换热器对数平均温差，K；Δt₁—换热器两端较大温差，K；Δt₂—换热器两端较小温差，K；d₁，d₂—换热器管内外直径，m，d₁＝0.028m， d₂＝0.032m；α₁，α₂—管内、外流体换热系数，W·(m²·k)^-1，为自然对流；R—盘管曲率半径，m；ω₁—盘管内流速，m·s^-1；q_m—盘管内质量流速，kg·s^-1。

管道长度考虑1.3的裕度，管长选择为25m。换热管为螺旋盘管螺旋直径为800mm时，所需圈数为11圈，最终盘管长度27.6m。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种低温流体流量测量与标定装置，其特征在于，包括储液杜瓦(1)、低温泵(2)、第一过冷器(3)、第二过冷器(5)、测试箱(4)、称重系统(6)；所述储液杜瓦(1)的出口端与低温泵(2)的进口连接，所述测试箱(4)的进口与出口分别与低温泵(2)的出口端、称重系统(6)的进口连接；所述第一过冷器(3)的出口与进口分别连接至低温泵(2)与测试箱(4)之间的管路上，第二过冷器(5)的出口和进口分别连接至测试箱(4)与称重系统(6)之间的管路上；在低温泵(2)与测试箱(4)之间的管路位于第一过冷器(3)的进口与出口之间设置有低温阀(8)，在测试箱(4)与称重系统(6)之间的管路位于第二过冷器(5)的进口与出口之间设置有低温阀(8)；所述第一过冷器(3)的出口管路上安装有低温阀(8)，所述第二过冷器(5)的进口管路和出口管路上均安装有低温阀(8)；所述测试箱(4)内安装待测元件(42)。

2.根据权利要求1所述的一种低温流体流量测量与标定装置，其特征在于，所述测试箱(4)包括标准元件(41)安装位、待测元件(42)安装位；所述标准元件(41)安装位安装标准元件，待测元件(42)安装位安装待测元件(42)，低温液体依次经过标准元件(41)和待测元件(42)，或依次经过待测元件(42)和标准元件(41)。

3.根据权利要求1或2所述的一种低温流体流量测量与标定装置，其特征在于，所述称重系统(6)包括测力元件(61)、测重罐(62)、安装支架(63)、保护罩(64)；所述安装支架(63)固定在储液杜瓦(1)的瓶口，所述测力元件(61)顶部固定的固定支架上，测重罐(62)悬挂在测力元件(61)底部的拉杆上，所述保护罩(64)倒扣在储液杜瓦(1)的瓶口密封固定，所述测力元件(61)、安装支架(63)、测重罐(62)位于保护罩(64)与储液杜瓦(1)形成的密封腔内；测试箱(4)的出口端与测重罐(62)的进口连接，测重罐(62)的排液口与储液杜瓦(1)内腔连通。

4.根据权利要求3所述的一种低温流体流量测量与标定装置，其特征在于，所述测重罐(62)悬挂在储液杜瓦(1)内腔；所述测重罐(62)的底部高于储液杜瓦(1)内的液面；所述测重罐(62)的底部设置有出液口(67)，出液口(67)安装有气动阀。

5.根据权利要求3所述的一种低温流体流量测量与标定装置，其特征在于，所述测力元件(61)的拉杆上还可拆卸安装有标准砝码块(65)。

6.根据权利要求1或2所述的一种低温流体流量测量与标定装置，其特征在于，所述低温泵(2)的出口端还通过回流管与储液杜瓦(1)的进口连通；在回流管上安装有回流控制阀(9)。

7.根据权利要求1或2所述的一种低温流体流量测量与标定装置，其特征在于，还包括自动控压装置；所述自动控压装置包括增压罐(10)、加热元件(11)、控制器；所述控制器控制加热元件(11)对增压罐加热使其内液体汽化；所述增压罐(10)包括排气口，排气口与储液杜瓦(1)内腔连通。

8.根据权利要求7所述的一种低温流体流量测量与标定装置，其特征在于，所述增压罐(10)位于储液杜瓦(1)内腔，增压罐(10)的罐体顶部开设有排气口。

9.根据权利要求8所述的一种低温流体流量测量与标定装置，其特征在于，所述自动控压装置还包括控制器、压力传感器；所述压力传感器安装在储液杜瓦(1)的瓶口处，测量储液杜瓦(1)内部压力，所述压力传感器与控制器通信连接，所述控制器控制加热元件(11)启闭。

10.根据权利要求1或2所述的一种低温流体流量测量与标定装置，其特征在于，所述第一过冷器(3)和第二过冷器(5)的结构相同；所述第一过冷器(3)包括过冷器杜瓦(31)、换热管(32)、真空泵(33)；所述过冷器杜瓦(31)内存储有液氮，换热管(32)位于过冷器杜瓦(31)内，换热管(32)的进口端与低温泵(2)的出口端连接，换热管(32)的出口端与测试箱(4)的进口端连接；所述真空泵(33)通过管道与过冷器杜瓦(31)的排气口连接。

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