钟罩式气体流量标准装置

第五节钟罩式气体流量标准装置第一部分概述1钟罩装置的作用钟罩式气体流量装置的不确定度一般为0.1%～0.5%，压力在1000Pa～5000Pa范围，压力波动在10Pa～50Pa，由于其量值直接溯源到长度、压力、温度和时间，是原始法气体流量装置。钟罩式气体流量装置具有压力稳定、流量稳定、重复性好、易于溯源、操作方便等特点，可实现对低压损流量计的校准，因此各国均将钟罩作为低压气体小流量装置的国家基准。2钟罩装置的特点标准体积值准确：由于标准体积仅与钟罩下降的距离及钟罩内横截面有关，相关影响因素较少，因此标准体积的不确定度很小。重复性好：从原理上看，其重复性仅与钟罩运动速度、光电开关测量的重复性及环境温度变化等因素有关，而这些影响因素均很小，因此其重复性好。内压稳定：由于钟罩是悬浮在液体上面的一个封闭容器，通过浮力补偿机构的作用使得钟罩受到的向下的合力为一恒定的力。不管是通过钟罩自身重力向外排气的方法，还是通过外界压缩空气向钟罩内充气的方法，钟罩内气体的压力始终保持在一个稳定的状态，其钟罩内压力的稳定性或称为压力波动最高可达到1Pa。这对减小测量结果不确定度起着至关重要的作用。流量稳定：由于流量值为钟罩运行速度与钟罩内横截面积的乘积，钟罩内压稳定，因此能够容易地使流量达到并稳定在设定流量点上。第二部分钟罩的定性分析一、装置的结构与原理１象限补偿式钟罩１．1装置结构钟罩式气体流量标准装置结构如图5-1所示。钟罩１是一个上部有顶盖，下部开口的容器，液槽２内盛满水或不易挥发的油。有的钟罩在液槽底部焊接一个圆筒形开口容器，叫作“干槽”。由于液封的作用，使钟罩内成为一个密封容器，导气管３插入钟罩１内，顶端露出液面，其高度以钟罩下降到最低点时不碰到钟1罩顶盖为宜。为了避免钟罩下降时晃动，钟罩两边和钟罩内下部装有导轮６及立柱上的导轨７，导轮沿着导轨７和导气管３滚动。钟罩上部系有钢丝绳或柔绳，通过定滑轮９、１０。配重物１１用来调整钟罩内压力，补偿机构１２用来当钟罩下降时，补偿液槽内液体对钟罩产生的浮力，使钟罩内压力保持恒定。温度计１３和压力计１４分别测量钟罩内气本温度和压力。在标尺１５上装有下挡板４和上挡板５，二挡板之间为一定的容积，在液槽边缘装有光电发讯器１６与计时器连动，温度计１７和压力计１８分别测量被检流量计的温度和压力。鼓风机１９用以向钟罩内充气，使钟罩上升。压板２０，阀门２１、２２以及液位计８是用来固定钟罩，向钟罩鼓风和调流用。1．２工作原理打开阀门２１，关闭阀门２３，开动鼓风机（也可用压板２０），空气通过导气管进入钟罩１，使钟罩上升，当钟罩上升到最高位置时，即下挡板露出一段距离以后，鼓风机停止送风，关闭阀门２１。停一段时间，待钟罩内气体温度稳定后，开始检定流量计。打开阀门２３和２２，钟罩式气体流量标准装置本身是一个恒压源并给出标准容积的装置。该装置利用钟罩本身的重量超过配重物及其他重力并为一个常数，该常数确定了钟罩内的压力。补偿机构１２是克服浮力的影响，使该常数不随钟罩浸入水中的深度而改变钟罩内压力，保证了流量的稳定性。打开阀２３和调节阀２２，钟罩以一定流速下降，钟罩内气体通过导气管经被检定的流量计流入大气。当下挡板４遮住光电发讯器时，计时器开始计时，被检流量计同时也开始计数，钟罩继续下降。当上挡板５遮住光电发讯器时，计时器停止计时，被检流量计同时也开始计数。记下１３、１４钟罩内的温度值狋ｓ和压力值ps以及１７、１８流量计前的温度值Tm、压力值pm和大气压力pa。二挡板之间的钟罩容积VB事先已标定过。2图5-1钟罩式气体流量装置１—钟罩；２—液槽；３—导气管；４—下挡板；５—上挡板；６—导轮；７—导轨；８—水位管；９、１０—定滑轮；１１—配重物犌１１；１２—补偿机构；１３、１７—温度计；１４、１８—压力计；１５—标尺；１６—光电发讯器；１９—鼓风机；２０—压板；２１、２３—阀门；２２—调节阀；２４—被检流量计2凸轮补偿式钟罩2.1系统组成钟罩式气体流量装置由机械部分和控制部分及数据采集处理部分组成。机械部分主要由钟罩、密封液槽、液位平衡机构、浮力补偿机构、导向机构、钟罩质点调节机构、管路、底座等组成。控制部分主要由风机、阀门、光电传感器、限位开关等组成，测量系统主要由温度传感器、压力传感器、湿度传感器、激光干涉仪、计时器、流量计信号等量的测量组成。（见图5-2）。3图5-2钟罩装置组成示意图1——密封槽；2——密封液；3——测湿；4——钟罩；5——测温；6——导向系统；7——调中机构；8——激光干涉仪；9——凸轮；10——测压；11——浮力补偿重锤；12——液位平衡重锤；13——液位平衡筒。2．2工作原理如图1所示，装置工作时钟罩向下运动，将钟罩内气体通过管路、流量计排出。在钟罩向下匀速运动时，钟罩内的压力是一稳定值。且气体在这个过程中温度、压力、体积不发生变化，由于钟罩内径已知，可测量出钟罩运行位移量即可计算出钟罩排出气体的体积值。以此作为标准体积流量，与流量计示值相比较，从而检测流量计。3各主要部件的功能及定性分析钟罩式气体流量装置的核心部分为钟罩的标准容积值和运行时钟罩内压力稳定保证系统。正是钟罩内表面与密封液面组成了钟罩内的封闭空间为流量计量提供了准确的体积，工作时钟罩在密封液槽内由导轨的限制下向下沿着中心轴平移，钟罩的内截面积与钟罩移动距离的乘积即为装置给出的标准累积流量。因此，装置的设计时以保证钟罩的标准容积值的准确度越高越好和钟罩运行时钟罩内压波动越小越好。就是说一方面解决基础部件和结构的问题，另一方面解决测量方法的问题。首先要保证钟罩的标准容积值就要保证钟罩内表面几何形状加工精度和钟罩位移测量的准确度越高越好；同时要保证钟罩下降运动中运行平稳其内4压力波动越小越好。要做到这两点就要从两个方面着手，第一提高钟罩的加工工艺水平，保证钟罩筒体不圆柱度和内外表面的光洁度较高；第二在结构设计上提高钟罩运行的平稳性，保证钟罩运行中受力状态的稳定，解决浮力补偿机构稳定、密封液面稳定、钟罩运行姿态的稳定。另一方面采用先进的测量手段和设备保证测量结果不确定度的提高。我们把钟罩分成9个主要方面进行分析。3．1．浮力补偿机构钟罩的浮力补偿方式常见的有四种方式：1、象限补偿图（5-3）；2、链条补偿图（5-4）；3、虹吸补偿图（5-5）；4、凸轮补偿图（5-6）。图5-3象限补偿（我国生产）链条钟罩配重物图5-4链条补偿（美国生产）5图5-5虹吸补偿（法国生产）compensatingcurveleadingshaftlongitudinalbellballbearingbuoyancycompensationfanglassscalecounterpoiseMairbloweroil-sealingtankoilmeterundertest图5-6凸轮补偿（德国生产）3．2．液位平衡机构6使钟罩在运行过程中密封液面的液位保持不变。如图5-7所示带平衡机构的装置其下降段和测量段是一致的，而不带液位平衡机构的装置其下降段和测量段是不一致的，目前大部分使用中的钟罩是不带液位平衡机构的，如图5-8所示，当钟罩下降时由于钟罩进入密封液中使得液位升高，产生如图5-8上所示的液面B到液面B′升高的体积Vw和Vt用尺寸法测量标准容积时带来一定的偏差。图5-7带液位平衡机构的钟罩下降时液位变化示意图图5-8不带液位平衡机构的钟罩下降时液位变化示意图3．3．钟罩导向机构：要使钟罩在运行时罩内压力波动尽量减小，就要保证运行的平稳性，在钟罩做上下垂直运动中保持其所受各种外力的是稳定的且作用在运动方向上，与运动轨迹垂直方向上的力应减少到最小或利用钟罩导向机构将其控制，如图5-9所示。目前我国生产和使用中的钟罩虽然也有导向柱，但其间隙量非常大，没有起到控制钟罩7运行的作用，钟罩在运行中的晃动量是很大的，直接导致钟罩内压力波动较大。如图5-10所示，其结构为上下导向的方式，表面上看是控制在两端受力是最小的，应较易控制，但经过深入分析就可看到要使两端达到同步是较难的，实际上只起到限位的作用。钟罩内压力主要是由钟罩的重力产生的，如图5-11所示，钟罩受到重力、摩擦力、浮力、浮力补偿力、密封液的粘滞力等力的合力作用，这个合力最后作用在钟罩横截面上形成沿运动方向下的压力。如果这个压力在运动中始终保持变化最小，则钟罩内的气体压力波动就最小。从图中我们可以看出钟罩在运动中其受到的作用力产生变化的有摩擦力、浮力、浮力补偿力、钟罩在密封液运动所受到的粘滞力，其中粘滞力是产生与运动方向垂直的横向力的影响，要减少这个力的影响就要在结构上保证钟罩受力均匀外还要使钟罩在运动中不能处于自由状态，其运动轨迹应受到强制控制。因此，在结构上钟罩导向机构不仅仅是限位作用，而是起到强制钟罩运动轨迹的作用，从而保证钟罩在运动中与密封液面的相对姿态保持稳定。结构上设计成强制导向方式，使钟罩在运动中与密封液面保持相对稳定的姿态，而钟罩自重较大，在运行中导向机构所产生摩擦力的变化等对钟罩影响相对较图5-9本课题钟罩导向结构示意图图5-10一般钟罩导向结构示意图小，由此在钟罩内的产生的气体压力波动量就很小。此外在钟罩一端采用强制控制运行轨迹的结构在安装、调整上也比现行两端导向结构容易了。8mFzyFFm′mFfFFv′fF′v图5-11钟罩受力分析3．4．钟罩位移测量机构主要分为动态读出法和静态读出法。动态读数适于检定带脉冲输出的流量计；静态读数适于指针是式累积流量计，读数方式又分为全静止和部分静止两种形式。应用激光干涉仪作为位移量的测量仪器，提高测量的准确度。按照规程中尺寸法检定的要求，传统的光电挡板间的距离是使用卡尺或高度尺测量的，这种测量与激光干涉仪测量最大的区别除了测量准确度不同外，更重要的一点在于激光干涉仪是非接触测量，从而可减少60～100μm测量误差。为了便于实际应用我们将1000升的行程1160mm分为十份，每份约100升，用11个光电开关控制，可在100升到1000升范围内以100升为单位任意选择量程，同时光电开关的输出信号也作为测量被检仪表输出信号的同步控制。由于使用激光干涉仪作为位移量的测量仪器去掉了测量标尺，在标准容积检定时就没有测量标尺体积Vs的影响了。3．5．钟罩吊绳质点调整机构为保证钟罩运行时在水平方向和竖直方向上正确的位置和姿态，使钟罩在运行中与密封液面保持相对垂直对称的姿态，钟罩吊绳质点调整机构是必需的，这在我国生产和使用中的钟罩是没有的。如图5-12所示，钟罩的质量完全由吊绳承担，而质点是否在钟罩的质点中心上是十分重要的。若由于偏载造成钟罩的姿态处于非垂直状态，则钟罩在密封液中运动时所受的密封液作用力是不均匀的，产生一个横向的作用力，这就造成了钟罩运动的不稳定，从而使钟罩内的压力波动增大。把钟罩调整到筒壁与运动方向平行，这个密封液产生的横向力就降到了最小，强制导向机构就能控制钟罩在运动中保持相对稳定的姿态。9图5-12钟罩的姿态示意图3．6．密封槽结构和密封液采用干槽设计与油密封的方式，避免由于密封液挥发带来的湿度变化的影响。在钟罩内装有湿度传感器，密封液为水时湿度传感器显示值为≥100%。当密封液换成油后湿度传感器显示值与室内的湿度基本一致。3．7．钟罩内气体测温的测量钟罩内气体温度、压力的测量是保证标准容积量值准确换算的重要保障，为此必须对钟罩内的温度、压力及湿度进行准确测量，为理论计算提供可靠的数据。由于钟罩在工作时是处于运动状态，且钟罩内气体的温度存在着较大的温度梯度，要想在钟罩上对温度进行多点测量，就必须解决传感器信号传输时导线对钟罩运动稳定性带来的影响。目前我国生产和使用中的钟罩基本上采用的是单点测温，或在钟罩内的底部测温，因此钟罩内的温度梯度对测量结果不确定度产生较大的影响。为减少这个影响就要求环境条件仅量的高，即使如此温度梯度的影响依然存在。应在装置内采用多点温度测量法，采用了无线传输技术在钟罩上安装多个温度传感器，实现了钟罩内多点测温。这种无线传输技术同时可以传输上千个数据，并避免了信号线对钟罩运动带来的影响，从而保证了钟罩运行的稳定性。3．8．钟罩筒体加工钟罩直径的确定：直径大小根据气体流量与钟罩下降速度来考虑，主要保证机械运动的平稳性；通过计算把直径和长度设计成比较适中尺寸。钟罩的加工工艺：根据钟罩的测量原理，钟罩给出的标准体积是钟罩内腔与密封液面形成的容积，尺寸法检定钟罩标准容积时也是对钟罩内横截面面积和一定高10度的容积进行测量。因此保证钟罩内腔的不圆柱度和表面光洁度是必须的，另一方面钟罩筒体表面光洁度的提高了可以减少密封液的挂壁量，减少度测量结果不确定度的影响因素。目前我国生产和使用中的钟罩基本上对钟罩的内表面没有进行处理，不仅光洁度很差甚至连焊缝都没处理。因为，钟罩内表面的加工质量是钟罩装置最主要的基础保障之一，所以对生产部门来说保证筒体的圆柱度和光洁度，是应引起我们注意的。3．9．利用激光跟踪仪接测量钟罩内径传统的几何测量法是通过间接的测量方法来得到内部容积的。应用新的方法使钟罩内容积的测量达到了更高的准确度,如图5-13所示。图5-13激光跟踪仪测内径3．10钟罩检定流量计时的工作方式用钟罩检定流量计时按气流方向的不同分为排气式和进气式两种。3.10.1排气式利用钟罩的内压气体从钟罩内排出，经导气管、试验管和被检流量计排到大气。而往钟罩内充气，使钟罩升到一定位置，这种过程则是检定前的准备过程，不做计量。这种是以钟罩的下降为工作过程。这种装置有两个特点：（1）流过被检流量计的气体压力pm很低；（2）流过被检流量计的气体湿度很高。（3）流过被检流量计的气体压力根据伯努利方程，可近似得p2pp'ppmm（5-1）ma2式中：p----气体从钟罩流到被检流量计的压力损失11m----流量计处的气体流速因为，一般情况下2pmm1kPa（5-2）2pa100kPa（大气压）所以，气体流经被检流量计时的绝对压力很接近于大气压力，即'pmpa；pm0有的单位在钟罩顶盖上加重物或减轻重物，以增大钟罩内的表压力p'，从而达到增加流量计处气体压力pm的目的。但这是很有限的。3．11钟罩承压能力有限钟罩是一个薄壁筒不能承受较大的受力。以容积为0.5m3的钟罩为例，钟罩2的内截面积AB0.44m，要是钟罩内压p增加p0.5kPa，则必须在钟罩上增加一个质量为Ap0.44m2500PaB22kg（5-3）g9.8ms1的重物。这个重物的重量相比于钟罩顶盖所能承受的压力（过重了就会使钟罩变形）是可观的，而增加的压力（0.5kPa）相比于大气压（100kPa）却是很小的。3．11.1钟罩容积有限如图5-13a所示。钟罩从上到下按其用途不同可分为六段h1为上部剩余段，它是为避免检定一结束，钟罩就突然停止（流量计处气体流动停止）并撞击液槽底面而设计的。h2为钟罩有效检定段，即在钟罩下降过程中，只有光电发讯器通过这一段，坚定才有效，才做计量。h3为检定准备段，即在这一段内调节好所需的流量，并使流量稳定，做好检定前的准备。h4为液位剩余段，是为避免液体溢出而设计的。12上挡板钟罩h1下挡板h2光电发讯器h3h4h5h6液槽13'h5为液位差段。这一段是钟罩内、外的液位差，它表示钟罩的表压力p。像'上面说过的那样，p为0.5至5kPa，这相当于h5为50至500mm。h6为下部剩余段，它是为避免钟罩内的气体从下部跑出而设计的。钟罩的总高度为：hh1h2h3h4h5h6（5-4）而真正的有效高度仅为h2。'若增加p，即增加h5，必须减小h3、h4或h6。然而，h3过小，会使调节、稳压流量的时间太短，以至于无法检定；h4过小，会使液体溢出液槽；h6过小，会使气体从底面跑出。所以，p'可以增加的量p是有限的，一般不超过1kPa。总之，用排气法式装置，流过被检流量计的气体压力很低，即使在钟罩上加重物，也因一些限制，增加不了多少压力。所以他不能检定需要在高压下检定的流量计。3．11.2流过流量计的气体湿度很高排气法式钟罩若是用水作为其密封液时，钟罩内气体的适度是很高的。气体与液面接触，并且钟罩在上升时从密封液中浴出，内表面附着大量液体，在钟罩检定前的稳定时间内，这些液体很快蒸发，增高气体湿度。试验结果表明：若密封液体为水，在3分钟内，钟罩内气体湿度可达百分之百。所以，有些不允许湿气体通过的流量计就不能检定。由于排气式钟罩有以上两个缺点，就限制了它的使用范围。为了克服这两个缺点，人们设计了另一种钟罩式装置—进气式装置。3.12进气式装置进气式装置的工作原理与排气式装置正好相反，但他们都是利用了钟罩内压时一定值的特性。如图5-14所示，14PT干燥器储气罐钟罩空压机干燥器P0T0三通阀被检表稳压阀温度控制器图5-14排气式装置流路用进气式装置检定流量计的各种计算公式，若按干气体对待，则与排气式装置相同。用进气式装置检定时，气体通过流量计的压力pm决定于气源的压力，而气源的压力原则上可以任意提高，一般可比排气式压力（大气压）提高4至6倍。但是气体通过流量计后，在通过被检流量计和调压阀，进入钟罩的过程中，压力迅速下降，直到与钟罩内压相等。由于钟罩的内压只取决于本身的重力、配重物G1的重力、液体浮力和补偿机构的拉力。所以，不管是进气式还是排气式，重罩的内压是不变的。所以说：进气式装置能提高流量计处的气体压力，但不能增大流量。用进气式装置检定时，流过流量计的气体湿度决定于气源的湿度。而气源可以通过干燥处理，将气体湿度降到允许的程度。但要注意：由于在排气式装置中所述的原因，气体进入钟罩后，湿度很快升高，所以一般需要适度修正，只是经过流量计时的气体是干燥的。按道尔顿定律，可将干气体的计算公式（5-15）至（5-23）改写成下面湿气体的计算公式。这些公式也就是钟罩装置，当需要计量准确度较高时常用的计算式：VVn12BSC20（5-5）phpSaTmZmVmV（5-6）pm,hmpm,SaTZ15式中：----钟罩内气体相对湿度；m----流量计处气体相对湿度pSa----气体在钟罩内温度T下的饱和蒸汽压力；pm,Sa----气体在流量计处温度Tm下的饱和蒸汽压力；下角标h----表示是气体（下同）。pphSa（）VmNTNV5-7pNTZVqm（5-8）VtVqmN（5-9）VNtmmVmmppTZpm,hmpm,SaTN=VhSamm（5-10）Nmm,Sapm,hmpm,SaTZpNTmZm式中：m,Sa----流量计处饱和蒸汽密度；mqm（5-11）mtqqEv,IV100%（5-12）qVqVqqEm,Im100%（5-13）qmqm总之，进气式装置克服了排气式装置的两个缺点，扩大了使用范围，但它并不能提高流量，还需要进行适度修正。另外，进气式装置需要一个和稳定的气源，保证检定用气体的干度符合规定要求，并保证试验管段的气流压力、温度和流量恒定，这就使建立进气式装置比建立排气式装置困难一些。16第三部分钟罩的定量分析及计算一流量计算公式3．1数学模型试验过程中计算方法如下：钟罩下降排出的气体体积值：VsAh（5-14）式中：A——钟罩内表面积，m2；h——活塞有效下降高度，m；气体在钟罩内的温度、压力可由放置在钟罩内的温度传感器和压力传感器测得的平均值来表征，考虑到钟罩内气体温度、压力的影响，由钟罩内排出的气体体积换算到标准状态下的体积。3.2检定时钟罩的容积为：VBVN12BSC20（5-15）式中：VB----检定条件下钟罩的容积VN----钟罩的标准容积B----钟罩材料的线膨胀系数SC----标尺的线膨胀系数----检定的温度流过被检流量计的气体体积为：BpBTmZmVmVBVB（5-16）mpmTBZB式中：Vm----流过流量计的气体体积B----钟罩内气体密度m----流量计处气体密度'pB----钟罩内气体绝对压力pppa17pa----大气压力'pm----流量计处气体绝对压力pmpmpaTB----钟罩内气体热力学温度T273.15Tm----流量计处气体热力学温度Tm273.15ZB----钟罩内气体气体压缩系数Zm---流量计处气体气体压缩系数流过流量计的气体标准体积为：pTZBNN（）VmNVB5-17pNTZZB式中：流过流量计的气体标准体积VmN----pN----标准压力，pN101.325PaTN----标准标准，TN273.15K。ZN———标准状态下空气的压缩系数，ZN＝０．９９９６３。流过流量计的体积流量为：Vqm（5-18）Vt式中：qV----流过流量计的体积流量t----检定时间流过流量计的标准体积流量为：VqmN（5-19）VNt式中：流量计的标准体积流量qVN----流过流量计的质量为：pmTNmmVmmVmN（5-20）pNTmZm式中：mm----流过流量计的气体质量183N----气体在标准状态下（pN、TN）的密度，对于空气，N1.2046kg/m。流过流量计的质量流量为：mqm（5-21）mt式中：qm----流过流量计的气体质量流量N仪表系数kVm式中：N———流量计的脉冲数。流量计体积流量误差为qqEv,IV100%（5-22）qVqV式中：E----体积流量相对误差qVqV,I----流量计指示体积流量流量计质量流量误差为qqEm,Im100%（5-23）qmqm式中：E----质量流量相对误差qmqm,I----流量计指示质量流量3.3钟罩内压力的产生作用于钟罩上的力有：3.3．1钟罩本身的重力FB（5-24）式中：MB———钟罩的质量，ｋｇ；g———重力加速度，ｍ／ｓ２3.3．２重物G的重力F11G11（5-25）19式中：m———重物G的质量，ｋｇ。G11113.3．３密封液体对钟罩产生的浮力Fb（5-26）２式中：Sb———钟罩壁的环形横截面积，ｍ；h1———钟罩侵入液体中的深度，ｍ；３1———钟罩内液体的密度，ｋｇ／ｍ；3.3．４补偿机构的拉力Fc3.3．５钟罩内表压力ps产生的作用力Fp（5-27）式中：dB———钟罩内径，ｍ；ps———钟罩内压力，Ｐａ。（5-28）将式（5-24）～（5-27）代入式（5-28）得到其他如空气的浮力，液体对钟罩运动的阻力，摩擦力，绳子的重力等均可忽略。钟罩是均速运动，所以没有惯性力。按力平衡原理：（5-29）钟罩内表压力：（5-30）由式（5-30）可见，钟罩内的表压力是由于钟罩本身的重力超过配重物犌１１的重力，液体浮力和补偿机构的拉力之和而产生的。20图5-15钟罩式气体流量标准装置图5-16象限补偿机构简化图4钟罩内压和压力补偿钟罩，在排气装置中，即使标准器，又是气源；在进气式装置中，即是标准器，又是气体流路的一部分。所以，必须保持钟罩内压恒定，否则会给检定带来误差，其原因有下述两个方面。（一）钟罩内压不恒定造成流量不稳定以排气式钟罩为例（进气式装置也是一样），并将它简化为如图5-16a所示。BBυpmυmpmm图5-16a排气式装置流路在图中，取B-B和m-m两截面间的流路作为一个开口系统，并假定：（1）检定用气体是理想气体（2）气体是一维、绝热、可逆流动（3）可以忽略势能差21（4）进、出口的质量流量总是相等的。在这些条件下的能量方程为：p2p2mm（5-31）121m2式中：----气体比热比----B-B处的气体流速，实际上是钟罩的下降速度；m----m-m处的气体流速，可以认为是流量计处的气体流速；pm----m-m处的气体压力，即大气压力，可以认为是流量计处的气体压力；因为m所以，可令0这样，由式（5-31）得：2pp1m2（）m{}5-321m又因为是绝热流动，所以1p（5-33）mpm由式（5-31）和式（5-32）得;12pp1{m1}2（5-34）m1mpm由式（5-34）可以看出，随着钟罩内压的变化，速度将变化，从而使体积流量发生变化。总之，不管是排气式还是进气式装置，由于钟罩是流路的一部分，钟罩内压力就直接影响试验管路内的流量。所以，为了保持流量稳定，减小像式（5-22）和（5-23）给检定带来的误差。4．1象限式补偿机构钟罩运动过程中式（5-30）中的d、M、m、S和都是常数，不变，BBG11b1但浸入到液体中的深度h1在变化，也就是浮力FB在改变，所以要使钟罩内表压力ps保持不变，必须使FC改变，并使FC的改变量正好与FB的改变量相抵消，即大小相等符号（方向）相反。这就是我们所谓的浮力补偿或叫压力补偿。钟罩式气体流量标准装置如图5-15的象限补偿机构原理如图5-16所示。22图5-15钟罩式气体流量标准装置图5-16象限补偿机构简化图象限补偿机构是在一个象限内转动，由于它比较简单，易调试，补偿性能好，所以得到广泛采用。该机构由一象限架和可调重物G12组成，象限架的一端，铰接于立柱上，另一端系一根柔绳（柔绳的重量可以忽略）。柔绳经过装置上方的定滑轮与钟罩相连。重物G12的重量与它的悬挂点（到铰接点的距离）都是可调的。当钟罩下降时，浸没于液体的深度增加，从而受到的浮力也随着增加。但它同时通过柔绳带动象限补偿机构转动，使补偿机构对它的拉力FC减小，从而达到补偿的目的。为了便于从理论上分析其补偿原理，将图中有关部分简化，图5-16并忽略象限架转动的惯性力。参阅图5-16，按对铰接点Ｏ力矩平衡原理：（5-35）式中：lC———象限架的长度；lo———象限架的质量中心到铰接点犗的矩离；mC———象限架的质量；mG12———重物G12的质量；23α———象限架的立柱的夹角；β———象限架与柔绳的夹角。由式（5-35）可得式中：Hs———立柱从铰接点犗到定滑轮的高度；lr———柔绳从象限架到定滑轮的长度。所以（5-36）将（5-36）式代入式（5-30）得（5-37）由式（5-36）可得钟罩表压力变化的关系式：（5-38）因为钟罩浸入液体深度的增加量（钟罩下降的高度）正好等于柔绳长度lr的减小量，即（5-39）将式（5-39）代入式（5-38）得（5-40）从式（5-26）可看出，在钟罩下降过程中（h1逐渐变大）为使内压力保持不变，24即ps等于零，必须是：（5-41）因为lG12和mG12都可以调，所以上式很容易实现。从以上分析可得到以下结论：（１）象限补偿机构通过调重物G12的重量或重物到铰接点的距离可使钟罩所受的浮力得到补偿，从而使钟罩在下降过程中内表压力保持不变。（２）从式（5-20）可知，在调时如果发现钟罩在下降过程中（h1＞０）内压plm力在增大（s＞０），说明式（5-40）右端中括号内大于零，则要将G12或G12调小，反之则要调大。直至使ps等于零或使ps的值符合有关压力变化的规定。4．2链条式补偿机构如图5-17所示，链条一端系着钟罩，另一端系着配重物，挂在上方的定滑轮上。当钟罩下降时配重物一边的链条长度在减短，钟罩一边的链条长度在加长。因为链条是有重量的，所以加于钟罩的重力在增加，以补偿浮力的增加。要计算好链条，使从配重物一边移到钟罩一边的链条重量恰好等于钟罩排出密封液体重量的一半。由于这个原因，这种补偿又称重量补偿。设计中主要考虑的是链条单位长度的质量，即链条的线密度。若钟罩下降h1，钟罩排出液体的重量（即浮力的增加量）为FB，则（5-42）若钟罩一边的链条（对钟罩施加向下的力）长度增加h1，配重物一边的链条（对钟罩施加向上的力）长度减少，h1，则链条对钟罩向下的作用力增加了FC：25（5-43）式中：C———链条的线密度。要使钟罩内表压力保持不变必须是：FcFb（5-44）这就是设计链条线密度的计算公式。4．3凸轮补偿———可变臂轮补偿如图5-18，按力矩平衡原理应有：（5-45）图5-17链条式补偿机构图5-18凸轮式补偿机构式中：mG1———重物G1的质量；lG1———重物G1的力臂；Rc———定滑轮的半径。另外dh1＝Rcdc（5-46）26式中：c———定滑轮的可变臂轮的转角。由式（5-45）和（5-46）得（5-47）ll积分（5-47）式，并设当c＝０时，G1G10，则（5-48）这就是杠杆补偿可变凸轮的臂长与转角的关系。4．4虹吸补偿如图5-19，设计一个容器与钟罩固定在一起，随钟罩升或降，倒Ｕ形虹吸管一端插入液槽的液体中，另一端插入容器中，管内充满液体。由于虹吸管的虹吸作用，使容器和液槽的液面始终保持在一个水平面上。当钟罩下降h1，如果钟罩排出的液体量（即浮力增加量）等于容器内液体的增加量（即给钟罩施加重力的增加量），则正好补偿。按此原理应有：（5-49）S式中：c———补偿容器的内截面积。图5-19虹吸式补偿机构SS即b＝c（5-50）这就是说，设计时要使补偿容器的内截面积等于钟罩壁的环形截面积。第四部分钟罩的检定及不确定度分析一、钟罩的标定和标准不确定度计算方法（见原讲义部分）二、不确定度分析271.钟罩容积测量结果的不确定度分析钟罩的容积为：VVN[12B(20)]（5-51）Vd2H[12(20)]（5-52）4B由式（5-52）可得：2222u(V){dH[12B(20)]u(d)}{d[12B(20)]u(H)}24（5-53）[d2H2u()]24B式中:V——检定条件下钟罩的容积；VN——钟罩的标准容积；d——钟罩的内径；H——光电信号发生器之间的距离；B——钟罩材料的线膨胀系数；——检定时的温度；由试验 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 中数据可得：d1046.105mm，u(d)75H116.46395mm，u(H)120.2C，u()0.05C6B16.210m/c代入式（5-53），可得：u(V)1.43832m3钟罩的容积：V0.10016m3可得钟罩容积测量结果的相对标准不确定度：urel(V)0.014%表1尺寸法检定1000升钟罩测量不确定度一览表对总不确定度序符输入量的标准不来源灵敏系数cr(xi)的贡献︱cr(xi)号号确定度ur(xi)︱ur(xi)％1d直径测量0.075mmdH[12B(20)]0.014％222距离测量0.001mmd[12B(20)0.0009％H4282温度测量℃dH2B％30.0340.00022.钟罩在工作状态下容积测量结果的不确定度分析我们在用尺寸法测量钟罩的标准容积时，采用的测量方式是相对静态的测量，而这个标准容积是在动态下使用的。本课题在深入研究和定量试验后，认为钟罩内气体体积的测量结果的不确定度中还应当考虑更多的因素。这样就应分别对静态测量结果进行的不确定度和其动态效应对测量结果的不确定度进行分析。动态效应的影响主要是由钟罩在运行中由于罩内压力波动变化、内压对罩体形状的影响、温度和压力测量结果不确定度带来的影响以及油膜厚度变化等因素的影响。而这些因素使得钟罩内气体的体积和标定钟罩得到的静态容积并不完全相等。(1)压力波动的影响试验结果表明:钟罩在排出大约100L气体的范围内，罩内的压力范围最大为p6Pa（1999~2005）Pa，设此时的大气压为P0101325Pa，罩内气体与密封液面接触的环形面积为Vh，那么由于钟罩内压变化引起的罩内体积的变化为:pVVh(5-54)P02000其中，罩内气体与密封液面接触的环形面积：S(d2d2)(5-55)h4n其中，d为钟罩内径，dn为液槽内圆外径，可得环形面积Sh由此产生的容积变化量：3VhShH0.173m其中，H为钟罩排出大约100L气体时下降的距离。可得：V1.004105m3其影响：V0.010%V29(2)内压对罩体形状的影响钟罩的罩体是一个薄壁圆筒形的容器，在工作状态时，罩内的压力为表压2000Pa，这样，内压会使罩体发生形变，从而使钟罩的容积发生变化。发生形变后的钟罩的容积可由式（5-56）给出（推导过程见《气体流量标准装置》，王自和、范砧编著）：pd5VV[1()]（5-56）pE4其中，Vp——钟罩发生形变后的容积；V——钟罩发生形变前的容积；p——罩内压力；d——钟罩的内径；E——罩体材料的弹性模量——钟罩的内径；由式（5-56）可得：VVpd5p()(5-57)VE4对于钟罩的罩体：d=1.046m,0.003m,E2.11011Pa,p2000Pa,0.25,可得，VVp0.0003%V(3)温度和压力测量结果不确定度带来的影响钟罩在作为标准器标定气体流量计时，由于罩内气体的状态与流量计处的气体的状态存在差异，因此，需要将罩内气体的状态体积修正标准状态下的体积，那么，罩内气体的温度和压力都需要测量，而测量温度压力的传感器本身的误差对气体体积的修正存在一定的影响。由状态方程可知：pVpViiNN（5-58）TiTN30其中，pi,pN——钟罩内压，标况下（101325Pa，20℃）的气体压力；Vi,VN——钟罩内气体的体积，标况下（101325Pa，20℃）的气体体积；Ti,TN——钟罩内压，标况下（101325Pa，20℃）的压力；pNTiVNVipiTNpVpV2NN2NN2（）u(Vi)[u(Ti)][2u(pi)]5-59piTNpiTN测量罩内气体温度的温度传感器的最大允许误差为0.05℃,按矩形分布考虑，可得，0.05u(T)0.0289c（5-60）i3罩内气体绝对压力的测量由测量大气压力和罩内气体表压的两个压力变送器得到，即pip0P222u(pi)u(p0)u(p)（5-61）测量大气压的压力变送器的最大允许误差为400000×0.05%=200Pa，测量罩内气体压力的压力变送器的最大允许误差为3000×0.1%=3Pa，均按矩形分布考虑，可得，200u(p)115.473Pa033u(p)1.732Pa（5-62）3代入式（13），可得，u(pi)115.486Pa（5-63）由试验数据知Ti17.5c,pi2003Pa，把（12）、（15）代入式（11），可得，63u(Vi)9.69210m31u(V)u(V)i0.01%reliV（4）油膜挂壁量对钟罩容积的影响根据试验3分钟后钟罩内壁油膜残留量厚度为0.023mm，体积为V0.000854LV0.0008540.9104%V997.676这是可以忽略的。32