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基于全对称柱塞结构的微小气体流量标准装置的研究

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基于全对称柱塞结构的微小气体流量标准装置的研究

作者：常向月中国计量学院

学位级别：硕士

活塞式气体流量标准装置是一种可用于直接测量气体流量的容积式原级标准装置，因具有工作稳定可靠、精度高、工作压力可调、检定效率高和易实现自动化控制等特点，受到流量计量行业的极大关注。为研究国内微小气体流量量值溯源与传递方... 详细信息

活塞式气体流量标准装置是一种可用于直接测量气体流量的容积式原级标准装置，因具有工作稳定可靠、精度高、工作压力可调、检定效率高和易实现自动化控制等特点，受到流量计量行业的极大关注。为研究国内微小气体流量量值溯源与传递方法，同时探索微尺度气体流量仪表的计量特性，本论文设计了一套对称柱塞式微小气体流量标准装置。该标准装置前后柱塞结构完全对称，利用柱塞运动置换前后气缸内相同体积的气量，以达到气体温压参数恒定，实现高精度流量测量目的。本文首先分析总结了微小气体流量标准装置的分类及其研究现状，而后针对活塞式气体流量标准装置的工作原理，提出了全对称柱塞结构微小气体流量标准装置的总体设计方案、机械结构设计方案，同时根据不同被检表的特性制定了相应的检定模型。另外采用计算流体动力学方法，通过FLUENT仿真软件，对标准装置内部流场进行了动态仿真，分析验证了装置的可行性。采用PLC对不同检定模型开发设计了相应下位机检定系统，并通过LabVIEW编程平台完成了上位机检定监控和数据采集处理系统。最后对标准装置进行了一系列实验研究，并对标准装置及被检表进行了不确定度分析与评定。实验研究表明，检定过程中工作腔流场温度、压力稳定，微小波动引起的不确定度可忽略不计，标准装置扩展不确定度为0.24%（k=2），能用于实现（5-1000）mL/h范围内质量流量计、皂膜流量计、浮子流量计的检定。

关键词：全对称柱塞微小气体流量流量标准装置 FLUENT

活塞式气体流量标准装置活塞缸内径测量及不确定度评估

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计量学报 2021年第10期42卷 1275-1281页

作者：李培晶崔骊水李春辉中国计量科学研究院北京100029

针对活塞缸自身结构特点对测量器具的限制,提出了三坐标测量机测量活塞缸内径的方法。以名义内径为19 mm、45 mm、140 mm的活塞缸为例,对活塞缸的内径、外径和厚度进行测量,比较不同方法测量得到的活塞缸内径的差异,验证了三坐标测量机... 详细信息

针对活塞缸自身结构特点对测量器具的限制,提出了三坐标测量机测量活塞缸内径的方法。以名义内径为19 mm、45 mm、140 mm的活塞缸为例,对活塞缸的内径、外径和厚度进行测量,比较不同方法测量得到的活塞缸内径的差异,验证了三坐标测量机测量活塞缸内径的可靠性。此外,分析了活塞缸的形状特征对其内径测量不确定度的影响,得到活塞缸内径测量结果分别为18.999 mm、44.983 mm、139.975 mm,测量相对不确定度分别为0.016%、0.015%、0.010%。

关键词：计量学微小气体流量活塞缸内径测量三坐标测量机不确定度

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音速喷嘴气体小流量标准装置的研制

音速喷嘴气体小流量标准装置的研制

作者：陈鑫伟中国计量大学

学位级别：硕士

气体流量标准装置是一种能够对流量进行量值传递与溯源的设备。它通常用于评定气体流量测量仪表的流量技术指标以及测量特性,从而保证测量仪器仪表的精度。在芯片制造、航天科技、生命科学等高精尖领域,往往需要对微小气体流量进行精确... 详细信息

气体流量标准装置是一种能够对流量进行量值传递与溯源的设备。它通常用于评定气体流量测量仪表的流量技术指标以及测量特性,从而保证测量仪器仪表的精度。在芯片制造、航天科技、生命科学等高精尖领域,往往需要对微小气体流量进行精确测量以实现微系统的精密调控,而高精度的微小气体流量测量需要相应的标准设备为基础。目前对于常规喉径至0.12mm的微小口径均有深入的研究和广泛的应用。对于喉径0.12mm以下的音速喷嘴,由于加工难度大,目前对其研究多为数值仿真,实际装置尚未见报道。本文在研制出喉径为0.03mm～0.12mm微小音速喷嘴的基础上,设计搭建了一套微小尺度下的气体流量标准装置,并对它的测量特性、不确定度等进行了探索与分析。主要研究内容如下:(1)在计算流体动力学的基础上,利用数值模拟技术对一种只拥有喉部与扩散段两部分的非标准音速喷嘴(扩散喷嘴)进行了仿真实验。从它的几何构造:喉部长度、喉径、扩散角、扩散段长度等角度分析了对其流出系数与临界背压比的影响。在考虑机械加工复杂度的情况下,选取喉部长度为0.5d(d为喉径),扩散角为6°,扩散段长度为1d的扩散喷嘴为较优结构。(2)设计音速喷嘴气体小流量标准装置的整体结构,并根据实际工况条件完成其中各个设备的选型,建立自动控制系统。为了便于携带,设计了滞止容器与汇合容器,将其体积进一步缩小。针对所使用的扩散喷嘴为极薄的金属圆片,设计了中心带有通孔的内六角圆柱头螺栓,将喷嘴固定在滞止容器的一个端面上,也方便后续喷嘴的更换。(3)对搭建完成的音速喷嘴气体小流量标准装置的性能进行了测试。开展了气密性检测,结果表明气体泄漏量极小,该装置气密性良好。利用精度更高级的标准质量流量计对装置中的音速喷嘴进行了比对测试,其流出系数与数值模拟结果偏差在1.3%以内,重复性在0.1%以内,实验结果良好。最后对装置的不确定度进行评定,扩展不确定度为0.378%(k=2),满足技术指标。

关键词：标准装置音速喷嘴数值模拟不确定度微小气体流量

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微小缝隙式层流流量计设计及测量特性研究

仪器仪表学报 2019年第11期40卷 48-54页

作者：王筱庐陈玉春蒋宇翔张凯西北工业大学动力与能源学院西安710072 陕西易度智能科技有限公司西安710018

为解决层流流量计(LFM)线性度不佳的问题,提出了一种微小缝隙式LFM,并介绍了层流流量计的测量原理、结构设计及参数计算。对一台设计流量范围约为0~280 mL/min的试验件进行了试验,试验中使用的标准装置为活塞标准装置,合成不确定度为0.1... 详细信息

为解决层流流量计(LFM)线性度不佳的问题,提出了一种微小缝隙式LFM,并介绍了层流流量计的测量原理、结构设计及参数计算。对一台设计流量范围约为0~280 mL/min的试验件进行了试验,试验中使用的标准装置为活塞标准装置,合成不确定度为0.12%,扩展不确定度为0.24%(k=2)。试验结果显示,在未使用任何修正系数的前提下,试验件最大引用误差为-0.90%。试验件基本达到准确度1.0级的设计指标,量程比10∶1。此外试验件线性度优良,其Remaxde/l值为3.42,大于传统要求的2~2.5,说明此结构设计可有效克服突扩突缩带来的非线性影响。

关键词：层流流量计微小气体流量缝隙式不确定度线性度

电子式皂膜气体流量标准装置固有误差来源分析及新型装置探讨

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计量与测试技术 2017年第4期44卷 68-69,72页

作者：林建达万勇陈汉松卢嘉敏邹昌活广州能源检测研究院广东广州511447

介绍了皂膜气体流量标准装置的结构及分类情况;阐述了电子式皂膜气体流量标准装置的基本工作原理;在分析皂膜管基本计算公式的基础上,列举了装置6种固有误差来源,并对每种误差来源进行了展开论述;以活塞式气体流量装置为例,对基于其它... 详细信息

介绍了皂膜气体流量标准装置的结构及分类情况;阐述了电子式皂膜气体流量标准装置的基本工作原理;在分析皂膜管基本计算公式的基础上,列举了装置6种固有误差来源,并对每种误差来源进行了展开论述;以活塞式气体流量装置为例,对基于其它工作原理的新型气体流量装置进行了初步的探讨,有利于相关人员更好地开展微小流量检测工作。

关键词：电子式皂膜微小气体流量标准装置固有误差新型气体流量装置

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环形间隙式层流元件设计及流量特性研究

电子测量与仪器学报 2024年第4期38卷 195-201页

作者：陈雨萱谢代梁崔骊水徐雅黄震威刘铁军中国计量大学计量测试与仪器学院浙江省流量计量技术研究重点实验室杭州310018 中国计量科学研究院北京100029

为了解决传统层流流量计(LFM)线性度不佳、长径比较大、加工使用不便和结构易受流体影响等诸多问题,受双锥流量计的启发,提出了一种环形间隙式层流元件结构,介绍了测量原理和流道内非线性压力损失来源。保持该结构外套筒体和圆柱锥体同... 详细信息

为了解决传统层流流量计(LFM)线性度不佳、长径比较大、加工使用不便和结构易受流体影响等诸多问题,受双锥流量计的启发,提出了一种环形间隙式层流元件结构,介绍了测量原理和流道内非线性压力损失来源。保持该结构外套筒体和圆柱锥体同轴心,其流道截面为同心圆环,通过CFD仿真确定了锥形导流结构的合理锥形角度,确定了层流元件的尺寸参数。将取压孔设置在流道中充分发展的层流段,理论上消除了传统毛细管式LFM进出口处流动局部损失和层流发展段的动能损失。制作3种不同间隙大小的试件并进行试验,结果显示,当测量流量值小于53 mL/min时,层流元件的测量误差在3%以内;当测量流量值在(130~6189)mL/min时,测量误差在±2%以内;层流元件的压差和流量之间具有优秀的线性关系。说明环形间隙式层流元件结构可有效克服传统LFM的非线性影响,同时测量流量范围可随间隙大小变化而改变。

关键词：层流流量计微小气体流量环形间隙式数值模拟流量测量

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小流量音速喷嘴装置及测量特性研究

小流量音速喷嘴装置及测量特性研究

作者：戚珊珊中国计量学院

学位级别：硕士

音速喷嘴是世界各国广泛使用的传递标准,具有结构简单、无可动部件、精度高、重复性好等优良特性,使之在气体流量计量领域中占据了重要地位。在微小气体流量计量的迅速发展下,微小喉径音速喷嘴的研究更加广泛。为了将微小喉径音速喷嘴... 详细信息

音速喷嘴是世界各国广泛使用的传递标准,具有结构简单、无可动部件、精度高、重复性好等优良特性,使之在气体流量计量领域中占据了重要地位。在微小气体流量计量的迅速发展下,微小喉径音速喷嘴的研究更加广泛。为了将微小喉径音速喷嘴应用于实际检定工作中,本文在研究微小喉径音速喷嘴结构的基础上,建立了一套小流量音速喷嘴气体流量装置,并对装置的测量特性进行了研究。采用计算流体动力学方法,通过Fluent仿真软件,对两种不同结构音速喷嘴内部的流场进行了数值仿真,分析比较入口段、喉部以及扩散段对流量特性的影响,选择流出系数与临界背压比都较优的圆环形喉部喷嘴结构作为装置中使用的喷嘴。提出小流量音速喷嘴气体流量装置的总体设计方案,并在此基础上依次完成了硬件选型和机械机构设计、基于PLC的下位机检定系统设计以及基于LabVIEW软件平台的上位机监控及数据处理系统,实现了人机交互、自动检定的功能。对装置进行了气密性测试和检定实验,完成了不确定度分析与评定。气密性实验研究表明,静态过程中,滞止腔内气密性良好;动态检定过程中,由于装置流量范围小,微小泄漏引起的不确定度不可忽略。引入泄漏率不确定度后,小流量音速喷嘴气体流量装置扩展不确定度为0.264%(k=2),可以对体积流量在(0.008-1.007)m3/h范围内的质量流量计进行检定。

关键词：音速喷嘴微小气体流量标准装置 Fluent 不确定度