摘 要:根据传统钟罩式气体流量标准装置的结构特点，结合当前检测或科研工作的扩展需求，设计可变工况型钟罩式气体流量标准装置，给出设计思路，包括可变流量范围、可变压力范围、可变温度范围、可变信号接收方式等方面，提出具体设计方案，以满足工作需求。有利于改进现有装置的不足，设计出功能更为强大的新型钟罩装置，为标准装置的产业化打下基础。

 

    引言

    钟罩式气体流量标准装置属于气体流量标准装置的一种，是以气体为介质，对气体流量计进行检定、校准和检验的标准装置，它应用较早，主要用于企事业实验室、第三方技术机构。传统钟罩装置结构如图 1 所示。

 

 

    对于传统钟罩式气体流量标准装置，其流量范围、压力范围、温度范围、信号接收方式等都是确定的，称之为固定工况。例如一套钟罩装置，其流量范围( 0 ～ 6) m3 /h; 压力范围( 0 ～ 4) kPa; 温度范围: ( 20 ± 2) ℃ ; 信号接收方式: 电压脉冲与( 4 ～ 20) mA电流模拟信号等。对于当前检测或科研工作中的扩展需求，固定工况型钟罩装置已经不能满足要求。 

 

    1 扩展需求

    1. 1 流量范围需求

    对于一台固定容积的钟罩装置，其流量范围是确定的，包括流量上限与流量下限，它仅适用于流量范围之内的被检器检测。对于流量上限过大或流量下限过小的被检器，无法满足检测要求。 

 

    1. 2 压力需求

    当钟罩装置用于检测气体超声流量计、金属管浮子流量计等高压型被检器时，往往需要装置提供更高的检测压力，否则被检器可能工作不正常，此时非常高检测压力可能为( 5 ～ 6) 个大气压力需求，而传统装置往往只有( 0. 03 ～ 0. 04) 个大气压力，显然无法满足要求。 

 

    1. 3 温度需求

    传统钟罩装置的设计理论、组件及设备配置，均适用在常温状态。当检测气体质量流量计等对温度敏感的被检器或开展某种特定温度下的科学实验，常温型的钟罩装置显然无法满足工作要求。此时需要提供的气体温度可能远远偏离温室，例如要求15℃下对某流量计进行示值误差试验时。 

 

    1. 4 信号接收方式需求表

    除了常用的电压脉冲与( 4 ～ 20) mA 电流模拟信号以外，还有很多仪表信号制式; 随着计算机远程通讯及网络技术的进步，各种现场总线甚至无线信息传输的方式也应运而生，因此必须增加新的信号接收装置加以适应。 

 

    2 设计思路

    根据传统钟罩装置的流量范围、压力范围、温度范围、信号接收方式，设计改进其中的一种或几种，使其可以选择的信号范围和种类更多，这称之为可变工况。

 

    例如，可以通过多个钟罩并联的方式解决流量范围问题，称之为并联式钟罩，如图 2 所示。

 

 

 

    传统钟罩装置一般均为正吹法管线，如图 3 所 示; 而反吹法管线设计方式可以实现增加装置的上限压力，如图 4 所示，两者的气流方向是相反的。

 

 

    可以将正吹法、反吹法管线设计在同一套钟罩装置上，即实现了可变的试验压力范围。如图5 所示，两种方法根据需要通过阀门手动或自动进行切换。

 

 

    另外，可以通过增加气体温度调节组件的方式来实现温度可变调节，如图 6 所示。

 

    现场总线( Field bus) 是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要用于工业现场的智能化仪器仪表与高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用，因而近年来在计算机和仪表厂商中得到了广泛应用。可通过增加对现场总线信号的支持来扩展钟罩装置的应用。

 

 

    3 设计方案

    3. 1 可变流量范围设计

    钟罩式气体流量标准装置的流量上限主要取决于钟罩本体容积的大小，钟罩本体一般有 20L、50L、 100L、200L、500L、1000L 和 2000L 等多种规格，每个钟罩本体对应一个上限流量 Qmax，具体见表1。

 

 

 

    可以根据实际需要将不同流量上限的钟罩加以并联组合，即成为并联组合式钟罩气体流量标准装置，从而实现可变流量范围，如图 7 所示。

 

 

 

    图 7 为 20L、100L、1000L 三个规格的钟罩的并联组合，根据被检器的工作量程，自动选择合适的标准器，可使流量量程比达到 500∶ 1，适应高量程比的要求，极大提大检测能力，节约经济成本。 

 

    3. 2 可变压力范围设计

    压力参数是影响钟罩性能的主要性能指标，为了有效增大钟罩压力，可以设计一种正、反吹法钟罩装置。如图 8 所示，装置集正吹与反吹两种方法于一身，其中正吹法压力范围为( 0 ～ 4) kPa ，反吹法的压力范围为( 4 ～ 0. 6) MPa，利用正吹与反吹两种方法，可使钟罩压力范围达到( 0 ～ 0. 6) MPa，适应高压力比的要求。 图 8 实际为一种自动控制型正、反吹钟罩装置，通过预先设定好正吹法及反吹法检测管线、信号补偿部件、流量调节部件、压力源及压力调节部件等，利用开关阀切换管路或功能，然后通过系统软件控制数据信息采集及部件动作，从而实现正吹法和反吹法的自动控制选择。

 

 

 

    可变温度范围设计

    温度参数也是影响钟罩性能的主要性能指标，通过增加气体温度调节组件的方式，设计一种可模拟介质实际使用温度的钟罩装置。它包括进气组件和钟罩，进气组件出口端连接有气体调节组件，气体调节组件包括气体混合保温器和分别与其连接的气体制冷器和气体加热器，气体制冷器和气体加热器并联、与进气组件出口端连接，气体混合保温器出口端与钟罩之间连接有被检器接口，钟罩连接有排气组件。进入被检气体流量计的气体与实际使用温度相同，测量接近实际，提高检测准确性，检测数据更可靠，具体实现如图 9 所示。

 

 

 

    注意: 图 9 中的两个扩展应用: 一是钟罩位置换成气体标准表或音速喷嘴时，即改变了装置的标准器类型; 增加 521 － 真空泵进气阀设计后，即变成了负压法气体装置，可节约运行成本。

 

    3. 4 可变信号接收模式设计

    钟罩式气体流量标准装置可检测被检器种类大致或分为三类，要求装置具备不同的信号接收和处理能力。

 

    (1) 无信号输出类，应用于指针式或直读式气体流量计，如无补偿型涡轮或罗茨流量计、分流旋翼型蒸汽流量计等。装置可采用人工启停时间接收、高速摄像的方法，配合专用处理软件来实现。 

 

    (2) 脉冲输出类，包括电压脉冲、电流脉冲、高频脉冲、低频脉冲、光电脉冲、开关信号等，应用于大部分种类的气体流量计，如涡轮流量计、超声流量计等。 

 

    (3) 模拟输出类，包括电流模拟( 常用( 0 ～ 10) mA、( 0 ～ 20) mA) 、电压模拟( 常用( 0 ～ 5) V、( 1 ～ 5) V) 等，应用于各类工作级气体流量计，如涡街流量计、热式质量流量计，金属管浮子流量计等。 

 

    (4) 现场总线输出类，包 括 Profibu、Modbus、 FoundationFieldbus 等多种，应用于种类现场总线控制型气体流量计。 

 

    (5) 无线射频信号类，应用于远程抄表或控制的气体流量计，如皮膜燃气表、超声燃气表等。 

 

    (6) 综合类，即包含上述(1) ～ (5) 两种或两种以上信号类型的气体流量计。

    通过对传统钟罩装置的控制系统进行开发，实现对所需信号类型的接收和处理支持。 

 

    4 结束语

    钟罩式气体流量标准装置应用广泛，是气体流量行业主要的标准计量器具。然而随着新技术新需求的出现，有必要对传统钟罩装置进行技术改进或改造才能适用需求。笔者从实际出发，提出可变工况型钟罩式气体流量标准装置的设计理念，提出了流量范围、压力范围、温度范围、信号接收方式等方面的技术创新与改进方案，能够满足企事业单位实验室、第三方技术机构的检测及科研需求。