氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中氣源系統(tǒng)流量的穩(wěn)定性和精確性是保障對流量計(jì)進(jìn)行規(guī)范檢定和校準(zhǔn)的基礎(chǔ)。氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量控制方法有兩種：一是直接改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（屬變速調(diào)節(jié)）；二是改變管道通流面積的大小來改變流量（屬非變速調(diào)節(jié)）。前者采用變頻調(diào)速技術(shù)，后者一般是在管道上加裝調(diào)節(jié)閥控制開度。分析和比較兩種方法的特點(diǎn)，可以為氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中氣源系統(tǒng)流量控制方法的選擇提供依據(jù)。

     一、氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置介紹

     1. 裝置概況

     本文所述的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置歸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)計(jì)量測試研究院。該裝置是以臨界流文丘里噴嘴作為標(biāo)準(zhǔn)表的負(fù)壓法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，測量范圍覆蓋（1¯5000）m³/h。氣環(huán)真空泵組提供負(fù)壓空氣作為流通于裝置的介質(zhì)，通過標(biāo)準(zhǔn)表與被檢表對介質(zhì)同步的流量計(jì)量，實(shí)現(xiàn)對被檢流量計(jì)的檢定。裝置工作時(shí)，介質(zhì)流經(jīng)前端檢定管段、被檢流量計(jì)、滯止容器（臨界流文丘里噴嘴組位于其中）、緩沖容器、氣環(huán)真空泵等最后排放到大氣中，如圖1所示。

     2. 氣源

     該裝置的氣源部分為德國納西姆公司生產(chǎn)的氣環(huán)真空泵，其每個(gè)規(guī)格型號(hào)的實(shí)際使用流量范圍相對較窄。泵工作時(shí)提供流體流量超出規(guī)定范圍后可能造成氣環(huán)泵損壞，特別是壓力下限不能超載（泵內(nèi)真空度不可過高）。設(shè)備安裝調(diào)試后，氣環(huán)真空系統(tǒng)在泵組流量組合時(shí)整體流量曲線出現(xiàn)斷檔。該裝置的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

     3. 標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)

     該裝置的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)為臨界流文丘里噴嘴。根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理，當(dāng)氣體通過該噴嘴時(shí)，其上、下游氣流壓力比達(dá)到某一特定范圍的條件下，在噴嘴喉部形成臨界流狀態(tài)，氣流達(dá)到速度（音速）且流速恒定。流過噴嘴的氣體質(zhì)量流量也達(dá)到值，且只與噴嘴入口處的滯止壓力和溫度有關(guān)，而不受其下游狀態(tài)變化的影響。

     二、變頻調(diào)速技術(shù)控制流量

     1. 變頻調(diào)速控制流量基本原理

     采用變速調(diào)節(jié)技術(shù)，即通過改變泵的轉(zhuǎn)速來改變泵的氣體流量（即風(fēng)量Q）。

     泵的轉(zhuǎn)速（即電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速）可由式（1）計(jì)算：

     n=（1-s）60f/p                   （1）

     式中：n―――電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/s；s―――電機(jī)轉(zhuǎn)差率；f―――交流電頻，H_z；p―――電機(jī)極對數(shù)。

     由式（1）可知，若均勻地改變定子供電頻率f，則可以平滑地改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)氣體流量的控制。

     2. 變頻調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)

     變頻調(diào)速技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用的一種調(diào)速方式，它的特點(diǎn)具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

     （1）節(jié)能效果明顯，能兼作啟動(dòng)設(shè)備。

     （2）調(diào)節(jié)范圍便于控制，調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度高。

     （3）調(diào)速平滑性好，調(diào)速效率高。

     （4）保護(hù)功能齊全，運(yùn)行安全可靠，在生產(chǎn)過程中能獲得速度參數(shù)。

     （5）變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試，且維修方便。

     （6）變頻器的初始投資很高，是其應(yīng)用于泵或風(fēng)機(jī)調(diào)速中的主要障礙。

     3. 變頻調(diào)速技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

     變頻調(diào)速技術(shù)主要通過變頻器來實(shí)現(xiàn)。變頻器是變頻調(diào)速系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對于本文所述氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，采用變頻調(diào)速技術(shù)控制流量，如圖2所示。

     三、調(diào)節(jié)閥控制流量

     1. 調(diào)節(jié)閥控制流量的基本原理

     調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過閥門的相對流量與相對開度之間的關(guān)系。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

     式中：Q/Q_max―――相對流量；F―――對應(yīng)法則；L/L_max―――相對開度，即調(diào)節(jié)閥閥心某一位移與全開位移之比。     一般來說，改變調(diào)節(jié)閥閥芯的節(jié)流面積，便可以調(diào)節(jié)流量。通常調(diào)節(jié)閥有兩種調(diào)節(jié)特性曲線：一種是直線特性，即調(diào)節(jié)閥的相對流量和相對開度之間成直線關(guān)系；另一種是對數(shù)特性，即單位行程變化引起流量變化與該點(diǎn)的相對流量成正比，此時(shí)調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)是變化的，它隨著相對流量的增加而增大。

     2. 調(diào)節(jié)閥控制流量特點(diǎn)

     （1）簡易、可靠，調(diào)節(jié)裝置的初始投資少。

     （2）調(diào)節(jié)范圍較大。

     （3）調(diào)節(jié)閥門安裝位置任意，結(jié)構(gòu)簡單，便于維修。

     （4）對系統(tǒng)密閉性要求低，使控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性。

     （5）在閉環(huán)系統(tǒng)控制中，易于實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化。

     （6）能量損失大，不宜應(yīng)用于大功率長期工作場合。

     3. 調(diào)節(jié)閥控制流量實(shí)現(xiàn)方法

     調(diào)節(jié)閥控制流量需先計(jì)算出施加在電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上對應(yīng)的電壓或電流值，從工控機(jī)發(fā)出的電信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換作用在電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，從而達(dá)到控制流量的目的。對于本文所述氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為負(fù)壓氣泵的情況，可采用“進(jìn)氣分流”的方法。

     在補(bǔ)氣支路安裝調(diào)節(jié)閥，泵總流量一定的情況下通過控制閥門開度來調(diào)節(jié)補(bǔ)氣支路流量，當(dāng)補(bǔ)氣支路流量相對泵總流量較小時(shí)，可以保證檢定段支路流體穩(wěn)定性要求，具體如圖3所示。

     四、流量控制方案的選擇

     由于氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在進(jìn)行檢定工作時(shí)，需要穩(wěn)定準(zhǔn)確的流量來準(zhǔn)確反映被測流量計(jì)的性能，所以對流量控制的穩(wěn)定性提出了較高的要求。因此，需對控制閥和變頻調(diào)速這兩種流量控制方案進(jìn)行比較，選取一種更適合本系統(tǒng)的方案。

     1. 流量穩(wěn)定性

     在本裝置中，氣環(huán)泵對檢定段通道供風(fēng)，只要滿足相應(yīng)流量點(diǎn)音速噴嘴（標(biāo)準(zhǔn)表）能處于正常工作狀態(tài)，即使其上、下游氣流壓力比達(dá)到某一特定范圍即可，試驗(yàn)證明壓力比在0.75～0.85之間噴嘴均可正常工作；另外，裝置中設(shè)置滯止容器、出口容器（匯流管）、真空緩沖容器、撓性接頭等部分，可以保障介質(zhì)流動(dòng)時(shí)的整體穩(wěn)定性。其中，滯止容器和檢定段管路的結(jié)構(gòu)分別滿足噴嘴和檢定段管路的穩(wěn)定性技術(shù)要求?；谝羲賴娮斓膬?yōu)良特性和裝置結(jié)構(gòu)的合理安排，使得氣源部分流量準(zhǔn)確度要求可以有所降低，只需滿足噴嘴工作條件和介質(zhì)流動(dòng)穩(wěn)定即可。兩種流量控制方法在閉環(huán)控制系統(tǒng)中都容易滿足要求。

     2. 成本分析

     由于該氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置用途為計(jì)量檢定，不會(huì)長期高功耗地工作，宜選擇初始投資較少的調(diào)節(jié)閥來控制流量。雖然工作過程中會(huì)有一定能量的浪費(fèi)，但是相對變頻調(diào)速系統(tǒng)高額的初始投資而言，利用調(diào)節(jié)閥控制流量還是很經(jīng)濟(jì)的選擇。

     3. 可行性分析

     由于氣環(huán)真空系統(tǒng)在泵組流量組合時(shí)整體流量范圍出現(xiàn)斷檔（見表1），限于氣環(huán)泵應(yīng)用流量范圍要求，變頻調(diào)速技術(shù)只能在泵流量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，因此無法解決斷檔的連接問題。采用“進(jìn)氣分流”的方法，通過調(diào)節(jié)補(bǔ)氣支路的流量大小來控制檢定支路的流量，可以實(shí)現(xiàn)流量覆蓋（1¯5000）m³/h，滿足檢定的要求。

     綜合以上幾點(diǎn)，本裝置的流量控制選用基于“進(jìn)氣分流”法的調(diào)節(jié)閥控制。