CN216559247U

CN216559247U - 水流量教学实验标准装置

Info

Publication number: CN216559247U
Application number: CN202122858383.4U
Authority: CN
Inventors: 方立德; 段思涵; 李宜明; 郭素娜; 赵宁; 王帆
Original assignee: Hebei University
Current assignee: Hebei University
Priority date: 2021-11-22
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2031-11-22

Abstract

本实用新型提供了一种水流量教学实验标准装置，包括有供水系统、测量系统，回水系统和控制系统。本实用新型准确度高，可靠性好，可同时采用静态质量法、静态容积法、标准表法进行测量，形成有机互补的整体，实现了多检定方法融合、科研教学融合、微机自动检定的检定方式。本实用新型将静态质量法、静态容积法和标准表法原理结合在一套流量标准装置中，标准表法进行日常的流量计检定，而静态质量法和静态容积法主要用来完成标准流量计的在线检定以及对客户有特殊要求的流量计的检定，充分发挥三种方法的优势，有机互补，提高装置的性价比，实现了标准表的在线标定，提高了流量计的检定效率。

Description

水流量教学实验标准装置

技术领域

本实用新型涉及液体流量计检定领域，具体地说是一种水流量教学实验标准装置。

背景技术

流量标准装置是对流量仪表进行量值传递的标准，主要用于检测和校准流量仪表的准确度、重复性、线性度等参数。目前，水流量标准装置的检定方法按计量器具分主要有静态质量法、静态容积法和标准表法。

在早期的流量标准装置中，多数采用静态质量法或容积法，这两种方法具有流量稳定，测量精度高的优点，但检定周期长，效率较低；随着工业自动化水平的提高，生产效率大幅度提升，标准表法产生并逐渐发展成熟，它虽然起步较晚，但作为一种具有高效、准确、检定范围容易拓宽、减少空间占用，节约投资，尤其是在大口径流量计的检定、校准方面可扩展流量范围等优点的检定方法，计算机技术的发展，为提高标准表法流量装置的准确度和检定效率又提供了新的技术手段。

静态质量法液体流量装置主要由水池、水泵、稳压设备、试验管路、称量系统、试验启停设备、控制设备、管路及阀门组成，通过称量并记录称量容器的质量、计时器显示的时间及流量计脉冲数，得出装置的流量，可以对电磁、涡轮、涡街、超声波等速度式流量计进行检定、校准和定型实验；辽宁省计量科学研究院设计了一种电子秤并联使用的静态质量法水流量标准装置，其将不同称量范围的电子称采用并联的方式进行组合，相当于增加了工作量器的容量，扩大了电子称的称量范围。

静态容积法液体流量装置由液体循环系统、试验管路、流量标准容器、计时器、试验启停设备(换向器)和控制设备组成，通过记录称量容器的液位数值、计时器显示的时间及流量计脉冲数N，得出装置的流量；上海大学孙向东研究了装置的压力稳定性、换向器的选择、工作量器的设计等关键技术，提出了高精度的静态容积法流量标准装置的架构；王新菱采用了磁致伸缩液位测量技术，解决了标准量器容积的测量难题，提高了装置的校验精度，保证了装置的流量稳定度，实现了静态容积法水流量标准装置的全自动测量。

标准表法液体流量标准装置主要由流体源(蓄水池)、试验管路、标准流量计、计时器和控制系统等五部分组成，同时记录标准表和被检流量计的信号脉冲数以及仪表系数，可完成比对；浙江精控仪表有限公司设计了一种多路可循环水流量标准装置，显著提升了使用的灵活性。

现在，在计量检定、校准工作中，单一的检定方法已不能够满足流量计检定、校准的要求，目前国内流量标准装置多数都已采用标准表法与称量法或容积法相结合的方式；河北省计量科学研究院研制了一种静态容积法、标准表法互补水流量标准装置，保留了静态容积法可靠、稳定、准确度高的优点，以及标准表法效率高、装置无频繁换向、能延长使用寿命的优点，将装置按大小管路分为两个部分，两个操作控制台，大小两个控制台可单独按两种不同方法工作，相互间不受影响，两个控制台还可联合使用，随其需要有机组合，分别充当检测控制中的标准装置和被检对象；开封锦科流量仪表有限公司设计了一种水流量标准装置，对检测用水过滤除杂彻底有效，既能进行标准表法检测又能进行静态质量法检测，有利于提高检测质量。

中国计量大学发明了一种用于水流量标准装置的流量调节方法，该方法通过综合控制电动调节阀开度与水泵变频调速，使管道中流量快速达到目标流量要求，通过调节电动调节阀开度对管道流量进行粗调，改变水泵转速对管道流量进行细调，适用了水流量标准装置中不同口径管道的流量调节，对日常计量工作具有重要意义；上海方龙流量校验设备制造有限公司设计了一种标准表法流量标准装置在线检定系统，具有结构简单、制造成本低、易掌控等优点，实现了自动化检定功能，并克服以前完全由人工采集数据、手工运算操作方式的缺点，省时省力。

但现有流量标准装置在使用时依旧存在以下一些问题：1、一组流量标准装置仅带有一种或两种计量器具，只能进行一种至多两种方法检测，当多种方法均需要用到时，只能采用多组标准装置，成本较高，且无法发挥多种方法互补的优势；2、现存的水量标准装置会根据被检流量计口径的不同设置多条检定管路，进行检定、校准，但检定管路一般数量较少，无法实现多组检定台位同时工作，无法兼顾科研与教学实验。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种水流量教学实验标准装置，以解决现有标准装置无法采用多种方法进行检测，以及无法兼顾科研和教学的问题。

本实用新型是这样实现的：一种水流量教学实验标准装置，包括：

供水系统，包括有依次沿管路设置的储水箱、水泵截止阀组件、稳压罐、第一汇管、标准表调节阀组件、第二汇管；

测量系统，包括有并联连接在所述第二汇管和第三汇管之间的教学测量系统和实验室测量系统；所述教学测量系统包括有并联设置的多个被检流量计球阀组件，所述被检流量计球阀组件包括有依次沿管路设置的球阀和被检流量计；所述实验室测量系统包括有依次沿管路设置在被检流量计和球阀；

回水系统，包括有并联在所述第三汇管和储水箱之间的多个标准量器组件，所述标准量器组件包括有换向器和连接在换向器一个方向管路上的标准量器；所述换向器另一个方向管路连接在所述储水箱上，所述标准量器的出水口与储水箱相连接，在所述标准量器下方设置有电子秤；以及

控制系统，与测量系统和供水系统相连接，用于控制所述供水系统进行供水操作和测量系统进行测量操作。

进一步地，本实用新型可以按如下技术方案实现：

在所述第一汇管和所述第二汇管上分别设置有压力表，压力变送器和温度变送器。

所述控制系统包括有计算机和PLC，所述PLC与所述水泵截止阀组件、所述稳压罐、所述标准表调节阀组件、所述被检流量计、所述球阀、所述换向器、所述标准量器、所述电子秤、所述压力表、所述压力变送器和所述温度变送器相连接。

所述水泵截止阀组件有多组并联设置在一起，包括有截止阀和水泵。

所述标准表调节阀组件有多组并联设置在一起，包括有标准流量计和分别设置在所述标准流量计两端的流量调节阀。

所述被检流量计球阀组件中的球阀为手动球阀，所述实验室测量系统中的球阀为气动球阀。

本实用新型准确度高，可靠性好，可同时采用静态质量法、静态容积法、标准表法进行测量，形成有机互补的整体，实现了多检定方法融合、科研教学融合、微机自动检定的检定方式。本实用新型将静态质量法、静态容积法和标准表法原理结合在一套流量标准装置中，标准表法进行日常的流量计检定，而静态质量法和静态容积法主要用来完成标准流量计的在线检定以及对客户有特殊要求的流量计的检定，充分发挥三种方法的优势，有机互补，提高装置的性价比，用于检定、校准和检测质量式、容积式、速度式、差压式等流量仪表，实现了标准表的在线标定，提高了流量计的检定效率。

本实用新型布局合理，在供水系统上设置有多个并联的标准表调节阀组件，在教学测量系统上并联设置有多个被检流量计球阀组件，并将其设置在教学检定台位上，可同时兼顾检定校准、科研与教学实验等多方面应用，拓宽了应用场景。还可跟据场地条件和实际需求来调整教学检定台位的数量，本实用新型设有10个DN25教学实验检定台位，检定过程通过微机系统控制，检定结果自动生成打印，自动化程度高。本实用新型具有较高的测量准确度、自动化水平高，工控计算机控制系统的设计、安装、调试，使其能够完成对检测设备的控制并且能自动完成信号采集、数据处理。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图中：1、储水箱；2、水泵；3、截止阀；4、稳压罐；5、标准流量计；6、前直管段；7、后直管段；8、气动球阀；9、第二汇管；10、压力表；11、压力变送器；12、温度变送器；13、被检流量计；14、第三汇管；15、夹表器；16、流量调节阀；17、手动球阀；18、排气阀；19、排液阀；20、换向器；21、标准量器；22、旁通管路；23、排水气动球阀；24、电子秤；25、密度计；26、第一汇管。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作列举性说明。

如图1所示，本实用新型的水流量教学实验标准装置，其特征是，包括有供水系统、测量系统、回水系统和控制系统。本实用新型中管道设计口径：DN25～DN100，设计流量0.02～100m³/h，流速4m/s左右。

供水系统包括有：依次沿管路设置的储水箱1、水泵截止阀组件、稳压罐4、第一汇管26、标准表调节阀组件、第二汇管9。稳压罐4加变频调速的方式提供了一个稳压的环境，从稳压罐4流出的水会更平缓，水流量会更稳定，测量精度更高。

水泵截止阀组件有多组并联设置在一起，包括有截止阀3和水泵2，每组的水泵2的功率不同。储水箱1的出水口通过水泵2截止阀3与水泵2的进水口连通，稳压罐4的出水口与第一汇管26连通。本实用新型中采用两组不同功率水泵2的水泵截止阀组件，可根据水流量的需要，选择相应的水泵截止阀组件，通过控制水泵2截止阀3来控制水泵2的启停，以提高测量精度。

具体地说，储水箱1出水口分别与两组水泵2进水口连通，两组水泵2出水口均与稳压罐4进水口连通，水泵2进、出水口均装有水泵2截止阀3，水泵2出水口和稳压罐4均装有压力表10以监控水压。计算对水泵2出口至喷嘴的沿途管线损失和局部损失、储水箱1表面到喷嘴高度及泵吸水口损失，选择水泵2型号KQW100/170-15/2，最大流量87m³/h，扬程38m，功率15KW以及型号KQW80/170-7.5/2，最大流量43.5m³/h，扬程38m，功率7.5KW。为确保装置稳压罐4容积满足最大设计流量下的稳压要求,按照水泵2出口波动值、稳压罐4稳压值及稳压罐4进、出口直径、实验管路口径、最大流量值(100m³/h)等几方面因素计算出稳压罐4理论容积约为1m³(此计算中取泵出口流量波动5％)，通过软件中增设PID调节可以使水泵2出水口的流量波动降至1～2％之间，为使稳压罐4输出流量的压力波动值稳定在0.2％以内，稳压罐4内设隔板及多层带孔的网格，使检定管路的液体满足单相定常流的要求，装置中的稳压罐4一方面为系统提供稳定的压力、消除泵源波动，同时消除水泵2产生大部分气泡起到消气的功能。

标准表调节阀组件有多组并联设置在第一汇管26和第二汇管9之间，包括有标准流量计5和分别设置在标准流量计5两端的流量调节阀16，每组的标准流量计5的流量覆盖值不同。为了保证测量精度，标准流量计5的两端均设置有流量调节阀16。本实用新型中采用配置4组标准表调节阀组件，可根据水流量的需要，选择相应的标准表调节阀组件，用以提高测量精度。在第一汇管26和第二汇管9上均设置有压力表10、压力变送器11和温度变送器12。

具体地说，稳压罐4出水口通过第一汇管26与并联的4路标准表调节阀组件管路连通，管径分别为DN15、DN25、DN50、DN80，每台标准流量计5前后端配置相应的前直管段6、后直管段7、气动球阀8，标准表调节阀组件管线通过第二汇管9与测量系统连通。标准流量计5采用科隆与西门子的电磁流量计作为标准表(标准流量计5)，流量覆盖(0.7～100m³/h)，同时可以作为静态质量法与容积法时的瞬时流量显示，其配置为DN15(最大流量0.7～2m³/h)、DN25(最大流量2～10m³/h)、DN50(最大流量7～45m³/h)、DN80(最大流量20～100m³/h)。

测量系统包括有并联连接在第二汇管9和第三汇管14之间的教学测量系统和实验室测量系统。教学测量系统包括有并联设置的多个被检流量计13球阀组件，被检流量计13球阀组件包括有依次沿管路设置的手动球阀17和被检流量计13，被检流量计13球阀组件有10组并联设置在一起，包括有教学手动球阀17和被检流量计13，放置在教学检定台位上用于教学实验，可跟据场地条件和实际需求来调整被检流量计13球阀组件的数量，教学测量系统中的标准量器21的容积是20L。

实验室测量系统包括有依次沿管路设置在被检流量计13和气动球阀8。实验室测量系统有两组呈并联设置，两组实验室测量系统管路的管径不同，标准量器21的容积不同，一个标准量器21的容积是1000L，另一个标准量器21的容积是200L，可根据水流量的需要和被检流量计13口径的需要选取需要的实验室测量系统。

回水系统包括有并联在第三汇管14和储水箱1之间的多个标准量器21组件，标准量器21组件包括有换向器20和连接在换向器20一个方向管路上的标准量器21。换向器20另一个方向管路连接在所述储水箱1上，标准量器21的出水口与储水箱1相连接，在标准量器21下方设置有电子秤24。换向器20是用来在标准量器21和旁通管路22之间切换通路，旁通管路22与储水箱1连通。标准量器21出水口通过排水气动球阀23与储水箱1连通。

具体地说，测量系统的检定管线为3条，分别采用管道口径DN25、DN50和DN100，采用平铺方式，标准表调节阀组件通过第二汇管9与3路检定管线连通。其中，DN50、DN100管线上的每个被检流量计13台位前端配置气动球阀8、前直管段6、短节，后端配置有夹表器15、后直管段7、流量调节阀16、气动球阀8。3路检定管线通过换向器20与标准量器21连通。DN25检定管线是10组并联的标准表法教学测量系统，配置有10个标准表法检定台位接口，用于教学实验，可跟据场地条件和实际需求来调整教学实验检定台位的数量，每个被检流量计13台位前端配置有手动球阀17、夹表器15，后端配置手动球阀17，路管线的后端管路交汇于第三汇管14，通过气动球阀8、换向器20与标准量器21连通。所有DN25检定管线安装在检测操作台上，管路与短节可以在直线导轨上前后滑动，配备的变径管在保证不增加管线及夹表器15的前提下可完成其它口径流量计的检定，直管段与短节采用快装结构，方便变径管线的安装连接。在检定管线末端的第三汇管14上设置排气阀18与排液阀19，分别用于排净装置中的空气与检定介质，排净空气可确保装置流量检定过程中的检定数据的准确性，排净检定介质可方便被检流量计13的安装与拆卸。

3路检定管线通过换向器20分别与3组不同容积的标准量器21连通，换向器20是用来在标准量器21和旁通管路22之间切换通路，旁通管路22与储水箱1连通，标准量器21出水口通过排水气动球阀23与储水箱1连通。换向器20采用气动闭式换向器20，这种结构的换向器20是目前国内普遍使用白水介质上的换向器20，不锈钢材质，稳定、结构紧凑、换向噪音低，换向时间差<20ms。选择容积为1000L、200L、20L，精度为0.05％的工作量器作为为静态容积法标准器。

为体现称重系统的高精度并确保装置的技术指标，选择高精度电子秤24为静态质量法标准器，兼顾最大流量和最小流量点的检定时间(30s～360s)且考虑在线检定所有标准表(标准流量计5)的需求，选择3台检定分度值优于1/6000的电子秤24，1.5t、300kg、60kg各一台，分别安装于容积为1000L、200L、20L的标准量器21下方，针对容积式与速度式流量计的检定要求，需要将电子秤24的称量值转化为容积值，需要引进密度的测量与运算，为满足装置整体扩展不确定度0.05％的要求，配置一支二等标准密度计25，用于测量检定介质密度。

控制系统与测量系统和供水系统相连接，用于控制供水系统进行供水操作和测量系统进行测量操作。控制系统包括有计算机和PLC，PLC与水泵截止阀组件、稳压罐4、标准表调节阀组件、被检流量计13、球阀、换向器20、标准量器21、电子秤24、压力表10、压力变送器11和温度变送器12相连接。为实现本实用新型的自动检定，控制系统采用上、下位机形式，采用工业级PLC、计算机测控系统检定软件，系统以计算机为中心进行控制，实现自动控制。硬件系统主要实现各种被检流量计13、温度变送器12和压力变送器11的自动采集，并输出多路控制信号自动控制流量达到检定要求，通过下位机，可以实现流量检定各种数据自动采集和初步处理并采用标准通讯协议送达上位机；软件系统是在Windows环境下，使用组态软件进行开发的测控软件，在数据的存储、计算和报表生成方面具有很强的灵活性，该系统使用现场总线与下位机通信，具有很强的抗干扰能力，能自动的对收发数据进行校验，保证数据准确可靠，通过上位机与下位机的交互，共同完成对整个装置的控制。

本实用新型采用多台标准表的配置，同时采用三档标准电子秤24和三档标准量器21的配置，可以根据称重量、容积自动换挡，无需人工干预，标准器的密集配置，拓宽了流量范围。为满足微机自动检定系统的各项要求，控制系统采用上、下位机形式，控制系统以计算机为中心，实现自动控制，采用工业级PLC、计算机测控系统检定软件，通过上位机与下位机的交互，共同完成对整个装置的控制。

本实用新型在工作时，根据待测流量计的口径大小，来选择所需要水泵截止阀组件，然后由水泵截止阀组件中的水泵2将储水箱1中的水泵2入稳压罐4，此过程通过控制系统进行控制，以保证水源得到稳定和能源的节约。在根据待测流量计的口径大小，来选择标准表调节阀组件，水流经过标准表(标准流量计5)和被检流量计13后流经换向器20，由换向器20来控制水流经过标准量器21或旁通管路22后，再流入储水箱1中。

本实用新型采用静态质量法工作时，是依据流量的基本定义进行检定，即以质量m为原始度量依据，并在测量时间t等独立量条件下推导出体积流量或质量流量。本实用新型的静态质量法采用检定分度优于1/6000的高精度电子秤24作为计量标准，装置扩展不确定度为0.05％。

检定流量计前，换向器20的喷嘴应先置于旁通管路22中，确定标准量器21的初始准备状态完成后，通过电子秤24，记录标准量器21的初始质量M₀(一般将其置零)，调节变频调速系统或流量调节阀16达到规定检定流量。待流量稳定后，启动换向器20，将水流导入标准量器21内，换向器20切换的同时，触发计时器和脉冲计数器，当达到设定的水量或时间时，将水流切换到旁通管路22，同时，停止计时和计数。待电子秤24示值稳定后，记录电子秤24示值M_t、计时器t、被检流量计13脉冲数N_t。水流的实际质量流量可由以下公式算出。

Q_m＝(M_t-M₀)(1+ε)

式中，ε为空气浮力修正系数；ρ_a为空气密度(kg/m³)；ρ_w为水密度

(kg/m³)；ρ_F为砝码材料密度(kg/m³)；质量流量Q_m与体积流量Q_v，互换公式

为：

由以下公式计算被检流量计13系数。

本实用新型在采用静态容积法工作时，采用精度为0.05％的工作量器作为计量标准，装置扩展不确定度为0.1％。

换向器20切换的同时触发计时控制器和被试验流量计开始计数，以保证水量和时间的同步测量，当达到预定的水量或脉冲数或时间时，操作换向器20，使水流换向，同时触发计时控制器和被试验流量计停止计数。计算累积体积流量：

Q_v＝VC_θ

式中，V为测量时间内标准量器21中的液体体积示值(m3)；C_θ为标准量器21的温度修正系数：

C_θ＝1+β(θ-20)

式中，β为标准量器21材料的体积膨胀系数(1/℃)；θ为标准量器21内液体温度(℃)。计算瞬时体积流量，

式中，t为测量时间(s)；质量流量与体积流量的换算关系如下，

Q_m＝Q_vρ_w

q_m＝q_vρ_w

式中，ρ_w为水密度(kg/m³)；计算被检流量计13系数。

本实用新型在采用标准表法工作时，标准表法采用精度为0.2％的电磁流量计作为计量标准，装置扩展不确定度为0.2％。选择和被检流量计13同一口径管路上的标准表调节阀组件，开启水泵2，稳压罐4，并调节流量到指定的流量值，待流量稳定后，同时对标准流量计5和被检流量计13的信号脉冲计数，一段时间后，同时停止计数并记录。

设定标准流量计5和被检流量计13的仪表系数分别为K_s，和K_t，同一时间段内两台流量计的脉冲数分别用N_s(1/m³)和N_t(1/m³)表示，计算公式为

式中，Q_v和Q_m分别为流体体积流量和质量流量；ρ_s和ρ_t分别为通过标准流量计55和被检流量计13流体的密度。根据流体力学的连续性原理，串联在同一口径管路上的标准流量计5和被检流量计13，流体流动稳定后，同一时间段内，流过它们的Q_m相等，即Q_ms＝Q_mt；可得

若ρ_s＝ρ_t，则

故在同一时间段测得标准流量计5和被检流量计13的输出脉冲数，可计算出被检流量计13的仪表系数。

Claims

1.一种水流量教学实验标准装置，其特征是，包括：

2.根据权利要求1所述的水流量教学实验标准装置，其特征是，在所述第一汇管和所述第二汇管上分别设置有压力表，压力变送器和温度变送器。

3.根据权利要求2所述的水流量教学实验标准装置，其特征是，所述控制系统包括有计算机和PLC，所述PLC与所述水泵截止阀组件、所述稳压罐、所述标准表调节阀组件、所述被检流量计、所述球阀、所述换向器、所述标准量器、所述电子秤、所述压力表、所述压力变送器和所述温度变送器相连接。

4.根据权利要求1所述的水流量教学实验标准装置，其特征是，所述水泵截止阀组件有多组并联设置在一起，包括有截止阀和水泵。

5.根据权利要求1所述的水流量教学实验标准装置，其特征是，所述标准表调节阀组件有多组并联设置在一起，包括有标准流量计和分别设置在所述标准流量计两端的流量调节阀。

6.根据权利要求1所述的水流量教学实验标准装置，其特征是，所述被检流量计球阀组件中的球阀为手动球阀，所述实验室测量系统中的球阀为气动球阀。