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

     一、氣體流量標準裝置介紹

     1. 裝置概況

     本文所述的氣體流量標準裝置歸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)計量測試研究院。該裝置是以臨界流文丘里噴嘴作為標準表的負壓法氣體流量標準裝置，測量范圍覆蓋（1¯5000）m³/h。氣環(huán)真空泵組提供負壓空氣作為流通于裝置的介質，通過標準表與被檢表對介質同步的流量計量，實現(xiàn)對被檢流量計的檢定。裝置工作時，介質流經(jīng)前端檢定管段、被檢流量計、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，其每個規(guī)格型號的實際使用流量范圍相對較窄。泵工作時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）。設備安裝調試后，氣環(huán)真空系統(tǒng)在泵組流量組合時整體流量曲線出現(xiàn)斷檔。該裝置的相關參數(shù)如表1所示。

     3. 標準流量計

     該裝置的標準流量計為臨界流文丘里噴嘴。根據(jù)氣體動力學原理，當氣體通過該噴嘴時，其上、下游氣流壓力比達到某一特定范圍的條件下，在噴嘴喉部形成臨界流狀態(tài)，氣流達到最大速度（音速）且流速恒定。流過噴嘴的氣體質量流量也達到最大值，且只與噴嘴入口處的滯止壓力和溫度有關，而不受其下游狀態(tài)變化的影響。

     二、變頻調速技術控制流量

     1. 變頻調速控制流量基本原理

     采用變速調節(jié)技術，即通過改變泵的轉速來改變泵的氣體流量（即風量Q）。

     泵的轉速（即電機軸的轉速）可由式（1）計算：

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

     式中：n―――電機轉速，r/s；s―――電機轉差率；f―――交流電頻，H_z；p―――電機極對數(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轉速，進而實現(xiàn)對風機氣體流量的控制。

     2. 變頻調速技術的特點

     變頻調速技術是目前廣泛應用的一種調速方式，它的特點具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

     （1）節(jié)能效果明顯，能兼作啟動設備。

     （2）調節(jié)范圍便于控制，調節(jié)準確度高。

     （3）調速平滑性好，調速效率高。

     （4）保護功能齊全，運行安全可靠，在生產(chǎn)過程中能獲得最佳速度參數(shù)。

     （5）變頻器體積小，便于安裝、調試，且維修方便。

     （6）變頻器的初始投資很高，是其應用于泵或風機調速中的主要障礙。

     3. 變頻調速技術的實現(xiàn)

     變頻調速技術主要通過變頻器來實現(xiàn)。變頻器是變頻調速系統(tǒng)的執(zhí)行機構。對于本文所述氣體流量標準裝置，采用變頻調速技術控制流量，如圖2所示。

     三、調節(jié)閥控制流量

     1. 調節(jié)閥控制流量的基本原理

     調節(jié)閥的流量特性是指介質流過閥門的相對流量與相對開度之間的關系。數(shù)學表達式為：

     式中：Q/Q_max―――相對流量；F―――對應法則；L/L_max―――相對開度，即調節(jié)閥閥心某一位移與全開位移之比。     一般來說，改變調節(jié)閥閥芯的節(jié)流面積，便可以調節(jié)流量。通常調節(jié)閥有兩種調節(jié)特性曲線：一種是直線特性，即調節(jié)閥的相對流量和相對開度之間成直線關系；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的相對流量成正比，此時調節(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. 調節(jié)閥控制流量特點

     （1）簡易、可靠，調節(jié)裝置的初始投資少。

     （2）調節(jié)范圍較大。

     （3）調節(jié)閥門安裝位置任意，結構簡單，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，易于實現(xiàn)過程自動化。

     （6）能量損失大，不宜應用于大功率長期工作場合。

     3. 調節(jié)閥控制流量實現(xiàn)方法

     調節(jié)閥控制流量需先計算出施加在電動調節(jié)閥上對應的電壓或電流值，從工控機發(fā)出的電信號經(jīng)D/A轉換作用在電動調節(jié)閥上，控制電動調節(jié)閥的開度，從而達到控制流量的目的。對于本文所述氣體流量標準裝置為負壓氣泵的情況，可采用“進氣分流”的方法。

     在補氣支路安裝調節(jié)閥，泵總流量一定的情況下通過控制閥門開度來調節(jié)補氣支路流量，當補氣支路流量相對泵總流量較小時，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

     由于氣體流量標準裝置在進行檢定工作時，需要穩(wěn)定準確的流量來準確反映被測流量計的性能，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速這兩種流量控制方案進行比較，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，只要滿足相應流量點音速噴嘴（標準表）能處于正常工作狀態(tài)，即使其上、下游氣流壓力比達到某一特定范圍即可，試驗證明壓力比在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，可以保障介質流動時的整體穩(wěn)定性。其中，滯止容器和檢定段管路的結構分別滿足噴嘴和檢定段管路的穩(wěn)定性技術要求?；谝羲賴娮斓膬?yōu)良特性和裝置結構的合理安排，使得氣源部分流量準確度要求可以有所降低，只需滿足噴嘴工作條件和介質流動穩(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

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

     3. 可行性分析

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

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