為了向山西省“氣化山西”戰(zhàn)略實施提供技術(shù)支撐，有效推進(jìn)四氣(天然氣、煤層氣、焦?fàn)t煤氣、煤制氣)合一工作，同時向企業(yè)提供過程檢測、氣體能源計量等氣體流量計的量值傳遞與溯源服務(wù)，山西省計量院積極開展了“DN600大口徑氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置”的研制，該裝置采用音速噴嘴法和標(biāo)準(zhǔn)表法兼顧的工作方式，既可滿足科學(xué)研究需要的高準(zhǔn)確度，又可滿足日常檢定的工作效率需要，同時具有較好的節(jié)能經(jīng)濟(jì)性。裝置的流量范圍為(1-15000)m3/h，音速噴嘴法系統(tǒng)不確定度優(yōu)于0.25% (k=2 )，標(biāo)準(zhǔn)表法系統(tǒng)不確定度為0.32oIo-0.35% (k=2)，被檢表口徑為DN 15mm-DN600mm。裝置的成功研制，填補(bǔ)了我國法制計量對DN600大口徑氣體流量檢測的空白，保障我國對上述各種流量計的檢定規(guī)程的有效實施。本文將著重從裝置的臨界流文丘里噴嘴法系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)表法系統(tǒng)、檢測管線系統(tǒng)、動力氣源系統(tǒng)、檢測控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、節(jié)能經(jīng)濟(jì)性等方面，談一談裝置的技術(shù)工藝設(shè)計。

一、臨界流文丘里噴嘴法系統(tǒng)：
1.音速噴嘴的確定：

2.音速噴嘴法系統(tǒng)的設(shè)計：
  裝置的設(shè)計方案要求音速噴嘴法系統(tǒng)擴(kuò)展不確定度應(yīng)達(dá)到Urel=0.25%（k=2），并保證在不同的流量點，噴嘴能在臨界流狀態(tài)下運行。 為確保在噴嘴喉部形成臨界流狀態(tài)，裝置達(dá)到系統(tǒng)的綜合不確定度技術(shù)要求，12只噴嘴采用了大空間安裝方式， 以保證檢測流量計時滯止容器內(nèi)流場穩(wěn)定、流速近似滯止?fàn)顟B(tài)，

表1 噴嘴的流量范圍及數(shù)量

圖1 音速噴嘴法檢測原理圖

二、標(biāo)準(zhǔn)表法系統(tǒng)：
1.標(biāo)準(zhǔn)表法系統(tǒng)的設(shè)計：

表2 標(biāo)準(zhǔn)表組技術(shù)參數(shù)及數(shù)量

圖2 標(biāo)準(zhǔn)表法檢測原理圖

四、動力氣源系統(tǒng)：
1.臨界流噴嘴系統(tǒng)動力氣源的設(shè)計：

2.標(biāo)準(zhǔn)表法系統(tǒng)動力氣源的設(shè)計：
  設(shè)計方案要求標(biāo)準(zhǔn)表法系統(tǒng)動力氣源的***大抽氣量要大于15000m3/h， 從設(shè)定***大流量點到流場穩(wěn)定、具備檢定條件的準(zhǔn)備時間應(yīng)控制在3min內(nèi)。

表3 真空泵的技術(shù)參數(shù)及數(shù)量

表4 高壓風(fēng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)及數(shù)量

    1.控制子系統(tǒng)    控制真空泵吸口閥門、卸真空閥門、氣缸閥的選擇和開關(guān);控制真空泵、空壓機(jī)等設(shè)備的啟停。
    2.數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)    自動采集系統(tǒng)溫度、壓力、濕度等信號;自動采集被檢表的流量信號，包括電流(4~20)mA、直流電壓(1~5)V、脈沖信號、低頻信號等。
    3.軟件子系統(tǒng)    自動檢測整套裝置氣密性和夾裝流量計后整套裝置的氣密性。對各種標(biāo)準(zhǔn)流量計、被檢流量計、溫度傳感器、壓力傳感器和其他設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置?？梢詫娮斓慕M合流量或標(biāo)準(zhǔn)氣體渦輪流量計的組合流量和高壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量通過自動化控制系統(tǒng)和RS232/485接口傳輸?shù)焦た貦C(jī)上。能自動、手動選擇氣環(huán)真空泵及高壓風(fēng)機(jī)，能監(jiān)視動力中心的實時狀況。隨同檢測結(jié)果自動給出流量—誤差特性曲線?？蓪Ω鞣N流量計按照檢定規(guī)程進(jìn)行檢定、校準(zhǔn)及檢測、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果判定，并可打印設(shè)定格式的記錄及報告。

圖3檢測控制系統(tǒng)示意圖

    六、變頻控制系統(tǒng)：
    根據(jù)JJF1240-2010《臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范》的要求，裝置檢測時每個噴嘴必須做一次背壓比實驗，需要通過變頻方式來控制噴嘴的背壓比以完成檢測工作。而在使用標(biāo)準(zhǔn)表組檢測流量計時，動力源高壓風(fēng)機(jī)所配電機(jī)的額定功率較大，檢測中風(fēng)機(jī)需要較頻繁啟動，直接啟動電機(jī)，啟動電流過高不僅影響電機(jī)正常使用壽命，且對電網(wǎng)拖動過大，利用變頻器實現(xiàn)電機(jī)軟啟動、補(bǔ)償功率因素等功能來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，不僅減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，還可以延長設(shè)備和閥門的使用壽命，給設(shè)備提供過流、過壓、過載等保護(hù)，同時達(dá)到節(jié)能的目的。
    本裝置中采用了變頻控制系統(tǒng)，分別對真空氣環(huán)泵與高壓風(fēng)機(jī)在檢測過程中進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，并加裝配套過濾器，用以消除對變頻器的干擾。

七、主要輔助系統(tǒng)：
1.輔助氣源系統(tǒng)的設(shè)計：
  為確保各系統(tǒng)間快速有效的無泄漏連接與關(guān)閉同時減輕勞動強(qiáng)度、提高工作效率，本裝置還設(shè)計有壓縮氣泵、儲氣罐、氣動三聯(lián)件、連接管線、法蘭和閥門等，其中儲氣罐依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB150-2011《固定式壓力容器》的要求設(shè)計，容積為1 m3，耐壓等級為10kg.
    2.緩沖容器的設(shè)計：
    為保證進(jìn)入裝置的氣體相對穩(wěn)定并在噴嘴喉部形成臨界流狀態(tài)，音速噴嘴法系統(tǒng)中增加了容積為2m3、厚度為6mm、帶有調(diào)壓功能的不銹鋼緩沖容器。
    3.供電系統(tǒng)的設(shè)計 ：
  本裝置的供電系統(tǒng)所采用的電氣設(shè)備可有效地將信號采集、處理線路和變頻泵等動力用電有效隔離。此外還可給現(xiàn)場裝置上所用的儀表、閥門、泵、電機(jī)等設(shè)備提供電源，提供的供電電源有:DC12V,1A;24V,0.5A;-12V ,0.5A。并且有過載、過壓、過流及漏電保護(hù)措施。
    4.裝置中壓力和溫度的設(shè)計：
    本裝置在被檢表、標(biāo)準(zhǔn)表的前后及滯止容器上分別安裝有0.05級的絕壓變送器和不確定度為0.10C的溫度變送器，檢測氣體介質(zhì)的溫度及壓力在檢測過程中的變化并對流量測量值進(jìn)行補(bǔ)償，同時計算噴嘴背壓比。滯止容器上的滯止壓力和滯止溫度均勻差不超過0.20C 。
   5.計時器設(shè)計：
    為了系統(tǒng)及時采集數(shù)據(jù)，累積流量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，采用高準(zhǔn)確度的計時器，其晶振準(zhǔn)確度}1×10}，滿足8h的穩(wěn)定度蕊1 x 10-，晶振可拆裝且?guī)в芯д裥盘栞敵鰴z測口，便于計量檢定。
    6.夾表裝置及伸縮器：
    伸縮器采用外缸推動伸縮方式，伸縮量程可滿足各種類型長度的流量計。夾表裝置設(shè)計具有同心定位結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)方便快速夾裝。