一种单相低温流体流量计的标定装置

1.本发明涉及一种流量计标定装置，尤其是涉及一种单相低温流体流量计的标定装置。


背景技术：

2.低温流体通常是指温度在其标准沸点120k以下的流体，低温流体流量的测量对低温领域快速发展至关重要，主要应用包括液氢、液氮等低温流体的储存、输运及加注过程，其准确性和高效性是重中之重。对于低温流体流量的测量，低温流体流量计不可或缺，换而言之，即低温流体流量计的高精度标定具有重要的意义。常用的标定装置主要基于三种标定方法，即称重法、容积法和标准流量计法。
3.称重法的原理是通过质量和时间的比值实现的，具体又分为静态法和动态法。静态法是指在测量过程中，当流体全部流入称重容器时，记下过程所用时间，测量出流入称重容器的流体总质量，通过称得的流体质量和时间间隔得出其平均质量流量，再根据测量流体的密度计算出标定的流量。动态法是指在压力和温度条件不变的情况下，测量流体处于稳态流动，通过称重容器单位时间内增加的质量和测量流体的密度计算出标定的流量。
4.容积法与称重法类似，其原理是通过收集容器中测量流体的体积和时间的比值实现的，可以直接计算出体积流量。
5.标准流量计法的原理是通过一台经高效准确标定的流量计作为标准流量计，将其与标定流量计串联在同一管道中，在一定时间间隔内，以标准流量计的平均测量示数作为标准流量示数，对标定流量计的示数进行评价。标准表法是目前最常用的标定方法，其具有简单、可靠和高效的优点，简化了操作人员的步骤。
6.现有的技术中，论文《calibration of a cryogenic turbine-based volumetric flow meter(ctvfm)using sub-cooled liquid nitrogen and solution for its practical issues》(de souza i,sarkar a,anand a,sarkar,m,kumar j s,gour as,rao v v,ieee sensors journal,2021,21(10):12077-12083)中以过冷液氮为介质，介绍了一种标定低温涡轮流量计的方法，搭建了过冷液氮低温涡轮流量计标定实验平台，并进行了标定，但是论文中的标定方法实际是采用了容积法，而且也与本发明的标定装置结构较为不同。
7.论文《标准表法容积式流量计在线检定装置的设计》(王增新,李剑平,中国新通信,2019,21(01):225-226)中以航空煤油为介质，采用标准表法对标定的容积式流量计进行了在线检定装置的设计，采用pid调节、双脉冲同步计数等高科技工控技术，实现了检定过程中的自动检定。在该论文中提出的流量计标定装置中，主要对常用的标定装置进行了采集部分的设计，实现了检定过程中的自动检定，并非对标定装置基本结构进行优化提升。
8.论文《一种提高质量法低温液体流量标准装置计量准确度的方法》(陈风华,戚继宁武,高飚,王硕,潘琴,计量技术,2017(05):28-30)中以液化天然气为介质，提出了一种提高称重法对低温液体流量标准装置计量的方法，解决了被检流量计的计量和储气容器充装
动作的启停同步问题。在该论文中对低温液体流量标准装置的标定采用了称重法，并非提到标准表法。
9.中国发明专利cn113588047.a公开了一种低温推进剂火箭发动机的流量计标定系统及方法，主要包括依次连接的容器加注单元、容器、供应管路、称重单元、快速回收容器、称重加注回收单元和回收单元。该发明的标定系统解决了现有低温推进剂火箭发动机使用流量计测量时精确性低的问题，但在该发明中采用的标定装置基于称重法。
10.中国实用新型专利cn215984776.u公开了一种低温流体流量测量与标定装置，装置中包括了两个过冷器，以保证低温液体过冷，可根据低温流量计的工况对应调节系统的工况，可以同时测试标定流量计和低温泵，效率高，成本低。在该发明中，标定装置仍基于称重法，且采用了低温泵，这与本发明设计的结构和采用的系统部件较为不同。


技术实现要素：

11.本发明专利提供了一种单相低温流体流量计的标定装置，相比于基于传统称重法的标定装置，测量精度更高、装置结构更简单、成本更低、操作更方便、标定更可靠，且在本发明的结构设计下，密封性更好，漏热损失更小，各个系统部件拆卸方便，简化了操作人员的步骤，可用于单相低温流体流量计的标定。
12.为此，本发明专利采用了以下技术方案：
13.一方面，本发明提供了一种单相低温流体流量计的标定装置，其包括：低温流体杜瓦注液罐、标准低温流量计、上游真空腔体、下游真空腔体、标定低温流量计、真空腔体外管波纹管、低温电磁阀、低温流体杜瓦收集罐；所述低温流体杜瓦注液罐、标准低温流量计、上游真空腔体、下游真空腔体、标定低温流量计、真空腔体外管波纹管在竖直方向上同轴布置；
14.其中，低温流体杜瓦注液罐用于低温液体的储存和供给，并为内部的标准低温流量计和上游低温管道进行隔热，标准低温流量计设置在低温流体杜瓦注液罐内，并浸没在低温流体中，标准低温流量计用于提供标准流量；标准低温流量计通过一段可拆卸的上游低温管道与位于低温流体杜瓦注液罐外部上方的标定低温流量计相连，其中上游低温管道与低温流体杜瓦注液罐上端面的出口法兰之间用上游真空腔体隔开避免漏热；标定低温流量计位于下游真空腔体内；上游真空腔体与下游真空腔体紧密相连，上游低温管道不暴露在环境中，其穿过上游真空腔体后立即进入下游真空腔体内；
15.下游真空腔体与真空腔体外管波纹管通过焊接密封，标定低温流量计的出口通过一段下游真空管道与真空腔体外管波纹管的水平端面连接，用以标定低温流量计的拆卸和安装；
16.真空腔体外管波纹管的出口通过一段下游管道与低温流体杜瓦收集罐连接；下游管道上设置有低温电磁阀；
17.所述的低温流体杜瓦注液罐和低温流体杜瓦收集罐均具有加气放气阀，所述低温流体杜瓦注液罐还设有注液阀。
18.作为本发明的优选方案，上游真空腔体的外径和出口法兰的内径相同，出口法兰焊接在上游真空腔体的侧面上，材质均为不锈钢，出口法兰与低温流体杜瓦注液罐上端面通过金属垫圈密封。
19.作为本发明的优选方案，上游真空管道的侧面与上游真空腔体的水平端面焊接密封，标准低温流量计与上游低温管道通过法兰连接，位于低温流体杜瓦注液罐内的上游低温管道浸泡在低温流体中；标准低温流量计的数据信号线通过标准低温流量计数据采集口引出至常温环境中。
20.作为本发明的优选方案，所述低温流体杜瓦注液罐上的加气放气阀既可作为低温流体杜瓦注液罐的放气阀，也可作为高压气源的加气阀，低温流体在高压气源下沿竖直方向被自下而上地压出，使管道内充满单相的低温流，用以保证标准低温流量计测量的精度。
21.作为本发明的优选方案，下游真空腔体分别与真空腔体外管波纹管和上游真空腔体的水平端面通过焊接密封；所述下游真空腔体与上游真空腔体内部连通，在下游真空腔体的壁面上设有真空接口能够连接外部抽真空设备；下游真空腔体与上游真空腔体抽真空用以保证管道中的低温流体为单相。
22.作为本发明的优选方案，标定低温流量计的上下游端面分别与上游真空管道和下游真空管道的水平端面密封法兰连接；标定低温流量计的数据信号线通过开设在上游真空腔体上的标定低温流量计数据采集口引出至常温环境中。
23.作为本发明的优选方案，所述下游管道上包裹有绝热材料，所述低温电磁阀设置在下游管道上用以调节流量的大小。
24.作为本发明的优选方案，低温流体杜瓦收集罐用以收集低温流体，其上设有的加气放气阀用以保证标定装置的安全性。
25.另一方面，本发明提供了一种上述的标定装置的标定方法，其包括以下步骤：
26.s1、上游真空腔体、下游真空腔体连接真空泵抽真空，当真空度保持在10-1
pa以下时，认为满足标定装置的真空条件，且标定过程中真空泵始终保持工作；
27.s2、外部低温流体储罐经管道连接至低温流体杜瓦注液罐的注液阀，打开对应的加气放气阀，加注低温流体至加气放气阀有低温流体喷出时，停止加注；
28.s3、关闭注液阀，高压气源连接至低温流体杜瓦注液罐的加气放气阀，打开低温电磁阀并保持小开度，打开低温流体杜瓦收集罐的加气放气阀；
29.s4、调节高压气源的压力，并打开低温流体杜瓦注液罐的加气放气阀，对标定装置进行预冷，预冷至采集到的上游真空管道表面的温度接近管道内低温流体的温度且保持不变时，预冷完毕；
30.s5、根据所需的标定范围，平衡高压气源提供的压力和低温电磁阀的开度；通过数据采集系统实时记录标准低温流量计和标定低温流量计的数据信号，记录稳态流动时的时间间隔和流量示数变化；
31.s6、调节低温电磁阀的开度，重复步骤s5，记录下不同开度下的标准低温流量计和标定低温流量计的数据信号；
32.s7、调节高压气源的压力，重复步骤s6，以得到更多工况下标准低温流量计和标定低温流量计的数据信号；
33.s8、对数据信号进行处理，实现对标定低温流量计的标定。
34.本发明的有益效果是：
35.1、本发明的一种单相低温流体流量计的标定装置，其标定方法基于标准流量计法，低温流体在竖直方向上自下而上的流动，使管道充满了单相的低温流体，保证了标准低
温流量计测量的精度。
36.2、本发明中的标准低温流量计浸泡在低温流体中，无需保温，其数据信号线通过标准低温流量计数据采集口引出至常温环境中，以便读取示数。
37.3、本发明中的法兰均为刀口法兰，密封法兰的两端面通过金属垫圈密封，以保证在低温条件下的密封性，特别是当密封垫圈为无氧铜垫圈时，材质较软且耐低温性能较好，而不锈钢材质较硬，与较硬的法兰端面的配合形成软硬配合的复合密封，因此该密封方式可以很好地满足在低温条件下的使用。
38.4、本发明中的真空腔体外管波纹管具有可伸缩性，因此下游真空管道在竖直方向上具有伸缩余量，以便标定低温流量计的拆卸和安装。
39.5、本发明中的真空接口，用以与真空泵连接，为真空腔体提供真空度，有效地解决了低温流体在管道中漏热量大的问题，管道内充满单相的低温流体，保证了标定低温流量计示数的精度。
40.6、本发明中的带有绝热材料的下游管道不仅减小了低温流体管道漏热量，而且极大地降低了成本。
41.7、本发明中的低温电磁阀可通过信号开关实时调节阀门的开度，从而调节流量的大小，减少了传统手动低温阀门给操作人员带来的繁琐。
42.8、本发明中的低温流体杜瓦收集罐可以收集管道中的低温流体，减少浪费，且同样设有的放气阀保证了标定装置的安全性。
43.9、本发明的标定装置相比于基于传统称重法的标定装置，测量精度更高、装置结构更简单、成本更低、操作更方便、标定更可靠。
44.10、本发明的结构设计下，密封性更好，漏热损失更小，各个系统部件拆卸方便，简化了操作人员的步骤，可用于单相低温流体流量计的标定。
附图说明
45.图1是本发明的标准流量计法的标定原理图；
46.图2是本发明的一种单相低温流体流量计的标定装置的结构示意图；
47.图3是本发明实施例二中标定的低温平衡流量计流出系数随流量的变化图。
48.附图标记说明：1、低温流体杜瓦注液罐；2、注液管；3、加气放气管；4、注液阀；5、加气放气阀；6、标准低温流量计；7、上游低温管道；8、上游真空管道；9、出口法兰；10、标准低温流量计数据采集口；11、下游真空腔体；12、标定低温流量计；13、可拆卸支架；14、下游真空管道；15、标定低温流量计数据采集口；16、真空腔体外管波纹管；17、低温电磁阀；18、低温流体杜瓦收集罐；19、密封法兰；20、真空接口；21、上游真空腔体；22、下游管道。
具体实施方式
49.下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
50.如图1所示，为本发明的原理示意图，本发明标定方法基于标准流量计法，低温流体在竖直方向上自下而上的流动，使管道充满了单相的低温流体，保证了标准低温流量计
测量的精度。图1中，高压气源提供稳定可调节的压力，用于低温液体流量的供给；低温流体杜瓦注液罐用于低温液体的储存和供给，并为内部的标准低温流量计和上游低温管道隔热；标准低温流量计用于提供标准流量；真空腔体用于提供低温与满管的测量条件，保证低温标定流量计的精度；低温电磁阀用于调节流量的大小；低温流体杜瓦收集罐用于收集标定过程中低温液体，也可调节系统压力。
51.如图2所示，本发明的一种单相低温流体流量计的标定装置，包括竖直方向上同轴布置的低温流体杜瓦注液罐1、上游低温管道7、上游真空管道8、上游真空腔体21、出口法兰9、下游真空管道14、真空腔体外管波纹管16，以及可拆卸支架13、低温电磁阀17、低温流体杜瓦收集罐18；出口法兰9和上游真空腔体21材质均为304或316不锈钢；下游真空腔体11材质为铝合金，在保证真空的同时减轻了自身重量；密封法兰间的密封垫圈的材质均为无氧铜。标准低温流量计6设置在低温流体杜瓦注液罐1内，并浸没在低温流体中；标准低温流量计6通过一段可拆卸的上游低温管道7与位于低温流体杜瓦注液罐1外部上方的标定低温流量计12相连，其中上游低温管道7与低温流体杜瓦注液罐1上端面的出口法兰9之间用上游真空腔体21隔开避免漏热；标定低温流量计12位于下游真空腔体11内；上游真空腔体21与下游真空腔体11紧密相连，上游低温管道7不暴露在环境中，其穿过上游真空腔体21后立即进入下游真空腔体11内；
52.下游真空腔体11与真空腔体外管波纹管16通过焊接密封，标定低温流量计12的出口通过一段下游真空管道14与真空腔体外管波纹管16的水平端面连接，用以标定低温流量计12的拆卸和安装；
53.真空腔体外管波纹管16的出口通过一段下游管道22与低温流体杜瓦收集罐18连接；下游管道22上设置有低温电磁阀17；
54.所述的低温流体杜瓦注液罐1和低温流体杜瓦收集罐18均具有加气放气阀5，所述低温流体杜瓦注液罐1还设有注液阀4。
55.在本发明的一个具体实施例中，所述发明中低温流体杜瓦注液罐1和上游真空腔体21通过出口法兰9螺栓连接，下游真空腔体11分别与上游真空腔体21和真空腔体外管波纹管16的水平端面通过焊接密封连接，作为供液部分与真空部分的密封连接。
56.在本发明的一个具体实施例中，所述发明中上游低温管道7通过与和上游真空腔体21的水平端面焊接固定，且上游低温管道7到低温流体杜瓦注液罐1内胆底部的距离大于50cm，以满足标准低温流量计6及其上游直管段的安装要求，下游真空管道14通过与真空腔体外管波纹管16的水平端面焊接固定，且真空腔体外管波纹管16的伸缩余量大于10mm，以方便标定低温流量计12的安装固定。
57.在本发明的一个具体实施例中，所述发明中的低温流体杜瓦注液罐1、上游真空腔体21、下游真空腔体11和真空腔体外管波纹管16为标准低温流量计6和标定低温流量计12提供了低温真空的条件。
58.所述发明中的上游低温管道7、上游真空管道8、下游真空管道14和带有绝热材料的下游管道22的内径均保持一致。
59.所述发明中的带有绝热材料的下游管道22的材质可为304或316的不锈钢硬管或波纹软管，若使用波纹软管，则应有支架支撑，且管道低温流体压力应小于管道承受压力。
60.所述发明中的低温电磁阀17可通过信号开关调节开度的大小，以满足不同流量工
况下的标定。
61.所述发明中的低温流体杜瓦收集罐18的容积需不小于低温流体杜瓦注液罐1的容积。
62.所述发明中的标准低温流量计6和标定低温流量计12均为竖直安装，低温流体从下至上流动。
63.所述发明中的各密封法兰之间的连接，其中密封垫圈均为无氧铜垫圈，形成软硬配合的复合密封，以保证在低温条件下的密封性。
64.安装步骤如下：
65.s1、低温流体杜瓦注液罐1分别与注液管2和加气放气管3的侧面焊接密封，注液管2和加气放气管3分别与注液阀4和加气放气阀5的端面焊接密封，其中注液管2的管道伸至低温流体杜瓦收集罐18的底部；
66.s2、上游真空管道8的侧面与上游真空腔体21的水平端面焊接密封，出口法兰9焊接在上游真空腔体21的侧面上，标准低温流量计6与上游低温管道7密封法兰连接；
67.s3、出口法兰9与低温流体杜瓦注液罐1上端面法兰密封，使标准低温流量计6伸入低温流体杜瓦注液罐1中；
68.s4、下游真空腔体11分别与真空腔体外管波纹管16和上游真空腔体21的水平端面通过焊接密封，可拆卸支架13用于支撑下游真空腔体11；
69.s5、下游真空管道14与真空腔体外管波纹管16的水平端面焊接密封，标定低温流量计12的上下游端面分别与上游真空管道8和下游真空管道14的水平端面密封法兰连接，以满足低温真空环境的使用；
70.s6、下游真空管道14、带有绝热材料的下游管道22、低温电磁阀17和低温流体杜瓦收集罐18依次沿流体流动方向通过法兰连接，系统形成密封。
71.拆卸时，与上述步骤相反。
72.下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
73.实施例一：
74.实施例一提供了一种单相低温流体流量计的标定装置的标定方法，包括以下步骤：
75.s1、真空接口20连接真空泵对真空腔体部分抽真空，当真空度保持在10-1
pa以下时，认为满足标定装置的真空条件，且标定过程中真空泵始终保持工作；
76.s2、低温流体储罐经管道连接至低温流体杜瓦注液罐1的注液阀4，打开对应的加气放气阀5，加注至加气放气阀5有低温流体喷出时，停止加注；
77.s3、关闭注液阀4，高压气源连接至低温流体杜瓦注液罐1的加气放气阀5，打开低温电磁阀17并保持小开度，打开低温流体杜瓦收集罐18的加气放气阀5；
78.s4、调节高压气源的压力，并打开低温流体杜瓦注液罐1的加气放气阀5，对标定装置进行预冷，预冷至采集到的上游真空管道8表面的温度接近管道内低温流体的温度且保持不变时，预冷完毕；
79.s5、通过数据采集系统实时记录标准低温流量计6和标定低温流量计12的数据信号，记录稳态流动时的时间间隔和流量示数变化；
80.s6、调节低温电磁阀17的开度，重复步骤s5，记录下不同开度下的标准低温流量计6和标定低温流量计12的数据信号；
81.s7、调节高压气源的压力，重复步骤s6，以得到更多工况下标准低温流量计6和标定低温流量计12的数据信号；
82.s8、对标定低温流量计12进行评价和标定。
83.实施例二：
84.实施例二对本发明的一种单相低温流体流量计的标定装置进行了搭建与测试。本实施例中，标准低温流量计6选用低温涡轮流量计，标定低温流量计12选用低温平衡流量计，规格尺寸与管道尺寸匹配，均为dn40，且对应流量计的前后直管段长度均满足测量条件。低温流体杜瓦注液罐1和低温流体杜瓦收集罐18的容积均为300l，可拆卸支架13的高度为1700mm。采用过冷液氮为测量工质，管道入口温度为77k，且管道壁面保持绝热。
85.本实施例中高压气源的表压为0.2mpa，通过调整低温电磁阀17开度的大小，从而调整过冷液氮流量的大小，开度大小分别为0.4，0.5，0.6。记录得到不同开度下低温涡轮流量计的流量示数和低温平衡流量计压差的示数，对低温平衡流量计的流出系数c值进行标定，其表达式为：
[0086][0087]
其中β为平衡流量计多孔板的等效直径比，qm质量流量，d为管道内径，ρ为液体密度，δp为低温平衡流量计的压差。结果如图3所示，得到了不同流量下低温平衡流量计的流出系数，标定有效。
[0088]
综上所述，本发明设计的一种单相低温流体流量计的标定装置，可很好地适用于低温流体流量计的标定，密封性较好，排除了低温流体泄漏的可能。保证了流量计中的低温流体均为单相，相比于基于传统称重法的标定装置，测量精度更高、装置结构更简单、成本更低、操作更方便、标定更可靠。另外，由于本发明结构的可拆卸性，在具体实施时，各个系统部件拆卸方便，简化了操作人员的步骤，可用于单相低温流体流量计的标定。
[0089]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。