专利名称：带压溢流式稳压稳流系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种对液体流量仪表进行检定和校准的液体流量计量标准装置，更具体地涉及一种液体流量计量标准装置中的带压溢流式稳压系统、及采用该带压溢流式稳压系统进行稳压的方法。
背景技术：
流量计量标准装置被广泛用于流量仪表的检定和校准。在检定和校准过程中，保持通过仪表的流量的稳定至关重要，流量稳定性也是装置的一个重要性能指标。对于液体流量计量标准装置来说，一般利用水泵作为流体的动力源，供电电网电压与频率的变化直接影响电机的转动速度，导致水泵出口压力和流量的变化，其主要表现为低频脉动；另外， 由于水泵叶片的不连续性，在高速运转和离心作用的影响下，水泵出口的流量会产生较大的高频脉动。为了降低流量的脉动，液体流量计量标准装置中需要采取稳压稳流措施，常用的方法主要有以下三种(1)水塔稳压法该方法是利用一个带溢流的高位水箱来获得一个稳定的自由液面，靠液面以下水的重力来提供稳定的供水压力。通常是建立一个40-50m的高位水塔，利用溢流获得一个恒定的液面，为试验段提供一个恒定的压头，达到稳压稳流的效果。该水塔稳压方法效果最好，但水塔对建设场地和环境的要求比较高，建设成本也很高；另外，由于供水压力受到水塔高度的限制，压力往往不能做到很大，也不可进行调整。(2)稳压罐稳压法该方法利用稳压罐内部复杂导流结构以及稳压罐上部的气容，对流经流体的压力进行缓冲和脉动吸收，来实现稳流稳压的目的。该方法只能满足一般的稳压要求。(3)变频稳压法利用现有的工业电力技术，选用性能优良的变频调速器，缓解供电电网电压、频率的波动，降低电机转速不稳导致的流量不稳问题。该方法依赖于变频器和水泵本身的良好性能。
发明内容
本发明的目的之一就是解决上述三种方法中存在的问题，提供一种新的稳压方法，不必建立高成本的水塔，而实现优良的稳压效果，可以应用于高准确度液体流量计量标准装置。本发明的另一个目的是提供一种在液体计量标准装置中使用上述稳压系统进行稳压的方法。本发明提供了一种稳压系统，通过该稳压系统能够同时消除低频脉动、高频脉动等影响系统流量稳定性的因素，其中，以溢流的方式将系统中的低频脉动转化为溢流流量的变化；在稳压系统工作过程中位于液体上方的气容稳定，消除高频脉动对稳压系统出流流量的影响。本发明的稳压系统，包括主体容器，该主体容器具有进流区、出流区和回流区；溢流槽，该溢流槽位于所述主体容器的进流区和出流区的上方，从溢流槽溢出的液体流到所述主体容器的回流区；溢流控制部件，其位于回流区和主体容器外侧的液体池之间，该溢流控制部件控制回流区中的液体的液面高度保持恒定；气压控制部件，其用于向主体容器中充入预定压强的气体；液体泵送部件，其用于将液体池中的液体泵送到主体容器的进流区。其中，该主体容器进一步包括有挡板，该挡板用于将进流区、出流区分开，该挡板的高度是主体容器内的最大液面高度的1/2。其中，该主体容器进一步包括用于将出流和回流区隔开的隔板，其中，溢流槽一端与主体容器的侧壁连接，另一端与隔板相连接。其中，所述溢流槽包括多个水平排列的溢流结构，该溢流槽中所有溢流结构的顶面高度相等且顶面水平光滑，该溢流结构为类U形结构，所述溢流槽具有足够长的溢流长度，该溢流长度远大于溢流槽本身的高度，其可以使得溢流量变化对罐内液面高度没有影响。其中，所述溢流结构的底面在靠近出流区一端的高度低于其另一端的高度，以便于溢流液体流入到回流区中，该溢流结构的底面相对于水平方向的倾斜角度在0-10度之间。其中，所述气体控制部件包括用于向主体容器内充入气体的空气压缩机，用于控制气体充入或释放的开关阀和用于对主体容器内气压进行监控的压力表。其中，所述液体泵送部件为变频泵或带有分流装置的普通泵，该液体泵送部件可以在预定范围内调节进流区液体流量输入。其中，溢流控制部件为溢流阀或其它能够实现液面高度恒定的控制部件。本发明的使用上述稳压系统进行稳压的方法，其首先通过气体控制部件，向主体容器中充入预定气压的气体；利用液体泵送部件，为主体容器提供可调节的液体流量，当液体液面上升至溢流槽的顶部时将向槽内发生溢流，液体通过溢流槽的各溢流结构流向主体容器的回流区；通过溢流控制部件将主体容器的回流区中的液位控制在一个恒定的高度； 控制稳压系统的进水口、出水口和回流口的流量，使三者的流量达到一个平衡。其中，从溢流槽中溢流的流量与出流口中液体出流流量的合理比例为1 10。本发明的稳压系统与普通稳压装置的共同点在于均是利用气容来稳压，但对于普通稳压装置来说，尽管其内部存在一定的缓冲结构，但是该缓冲结构对流量低频脉动的消除作用仍不太明显，出流口的液位依然会受到进流口流量的影响而存在一定的变化，而在本发明的稳压系统中，通过挡板以及溢流槽的设置，降低了进流口对出流口的影响，且溢流槽的溢流作用更进一步解决了影响出流口的流量稳定性的问题，能够实现与水塔接近的稳压效果，而且输出压力还可以根据需要进行调整。同时，本发明的稳压系统占地面积小，不受周围环境和场地的限制，节约了建设成本，在一定程度上可以替代水塔稳压方法。
图1.稳压系统的剖面2.稳压系统的A1A2方向的截面3.溢流槽结构在A1A2方向的变形结构截面图
图4溢流槽结构的俯视图
具体实施例方式下面将参照附图中示出的本发明的示例性实施方式来进行详细说明。附图只是为了便于理解发明，其具体示意结构、比例、尺寸和具体的线条形式不作为对本发明的限制。 需要声明的是，实施例中给出的是本发明的示意性结构，并不作为对具体结构的限制，以 “进流口 ”为例，本领域技术人员可以明白在实际的液体计量标准装置的稳压系统中该“进流口 ”包括有能够实现具体进流目的的连接部件，接口部件和连接管道等一系列部件，不只是限定为具体的开口。实施例1图1为本发明的液体流量计量标准装置的稳压系统的剖面图，如图所示，该稳压系统包括主体容器1 ；与主体容器1相连的空气压缩机7，该空气压缩机7用于向主体容器 1内充入一定压强的气体；在主体容器1与空气压缩机7之间设置有开关阀9，该开关阀9 用于控制气体的充入或释放；在主体容器1的底部设置有挡板2，该挡板2的左侧为A区， 挡板2的右侧为B区，其中进流口 4设置在B区，出流口 5设置在A区，通过挡板2将出流口 5和进流口 4分开；在主体容器1中进一步设置有隔板13，该隔板13的左侧为B区，隔板13的右侧为C区；在如图1所示的水平方向上，溢流槽3的一端与主体容器1的A区的侧壁连接，另一端与隔板13相连，图1中的虚线圈住的结构12为溢流槽3与隔板13的具体连接关系，其详细结构参见图2和图3所示；在主体容器1的外部连接有用于对主体容器内气压进行监控的气体压力检测部件14 ；在主体容器1的B区的进流口 4通过液体泵送部件6与液体池8相连，由液体泵送部件6将液体池8中的液体泵入主体容器1中，当液体从溢流槽中溢出时，溢出的液体流到主体容器1的C区，在主体容器1的C区的底部设置有回流口 15，该回流口 15通过管道与液体池8相连，在回流口 15与液体池8之间设置有溢流控制部件10，用于控制液体的回流，该溢流控制部件优选为溢流阀，当该溢流阀前压力小于某调定极限值时，阀不溢流，当阀前压力超过此极限值时，阀立即打开，使回流区的液体流入到液体池8中，该溢流阀也可以为电磁溢流阀或其它能够达到控制回流区液体液面的部件。为便于说明，定义主体容器的A区为出流区、B区为进流区、C区为回流区。主体容器1作为稳压系统的主体性结构，为保证液体流量的稳定，要求其具有良好的物理和化学性能，具有高强度、耐高压、耐腐蚀以及不会与容器中的液体发生反应等特性，该主体容器由金属材料或其它高强度聚合、复合材料制成，优选不锈钢、或其它高强度合金材料，在本实施例1中优选该主体容器的结构为圆筒形，该主体容器为密闭形式或开口形式，如图2所示，该主体容器1在A1A2方向的截面为圆形，该主体容器1还可以为金属罐结构。进流口 4位于主体容器1的B区，出流口 5位于主体容器1的A区，进流口 4中流出的液体由于具有一定的动能，会影响进流口 4附近的水压分布，该进流口 4附近不均衡的水压分布会对出流口 5的流量稳定性产生影响，本发明为了降低进流口 5的液体流动对出流口 4的液体流量的影响，特意在主体容器1中设置一挡板12，该挡板12采用具有足够硬度和强度的材料制成，在稳压系统工作过程中不会由于受压、受力而发生变形或颤动，影响水流的稳定性，优选该挡板12采用不锈钢或其它高强度、耐腐蚀的合金材料或复合材料制
5成；另外，优选该挡板12设置在稍靠近进流口 4的位置，挡板12的高度在主体容器1内的最大液面高度的1/2处为宜。为了进一步降低进流口 4液体流动对稳压系统带来的影响， 进流口 4与主体容器1的接口处采用进流管道的口径逐步增大的方式，用于降低进流管的液体流速，优选在接口附近采用流线形接口设置，最大程度上减小平滑进流口 4附近的水流分布对稳压系统带来的影响；另外，优选进流口处的管道供水管尽量选用大一些的口径， 使得入流流速不要太高，或者在供水管末端安装一段扩径管来降低入口流速。对于出流口来说，为了保证计量标准装置中的用于检测的流量的稳定性，该出流口 5与主体容器1的接口位置处，管道的口径小于进流口处的进流管道的尺寸，且接口位置处的接口光滑，易于液体平稳流动。虽然图1给出了进流区B位于挡板的右侧，出流区A位于挡板12的左侧，但是根据主体容器结构具体的设计要求，在保证液体流量稳定性的前提下，对于进流区和出流区的位置是可以进行调整或互换的。溢流槽3设置在主体容器1的中上部，位于出流区和进流区的上方，其一端与主体容器1的A区的侧壁连接，另一端与隔板13相连接，如图2所示为稳压系统的A1A2方向的截面图，结合1和图2的显示，可以清楚的获知溢流槽的结构，溢流槽3包括多个沿图1中的水平方向并列的溢流结构16，该溢流结构16为在水平方向延伸的类U形结构，单个溢流结构16具有底面18和两个侧壁，溢流槽3中的多个并列的溢流结构16的顶面高度相等、且顶面光滑平整，溢流结构16的类U性结构的两个侧壁的顶面水平齐整且顶面的边沿光滑。在溢流槽3中，在并列相邻的两个溢流结构16中，两个溢流结构16相邻的侧壁的一端连接到主体容器1的A区的侧壁上，另一端连接到隔板13上，两个溢流结构16相邻的侧壁之间具有液体溢流面19，如图2所示，隔板13上具有与溢流结构相配合的类U形开口，上述两个溢流结构的端部与A区的侧壁和隔板13的连接优选采用粘结、焊接或其它连接方式，保证在低于溢流结构16的侧壁顶面的液面高度条件下，不会有液体从溢流结构16的端部泄露到溢流结构或主体容器的回流区中去。另外，溢流结构16的类U性结构的两个侧壁的顶面高度等于或小于隔板13的高度，优选溢流结构的类U形结构由不锈钢或其它高强度、耐腐蚀的合金材料或复合材料制成。如图2所示，深色区域17表示隔板13，该隔板13采用具有足够硬度和强度的材料制成，在稳压系统工作过程中不会由于受压、受力而发生变形或颤动， 影响水流的稳定性，优选隔板13采用不锈钢或其它高强度、耐腐蚀的合金材料或复合材料制成。如图3所示，给出了溢流结构16的3种截面结构示意图，在图(a)中，溢流结构16 的两个侧壁为垂直形式，溢流结构16的底面为水平形式，其截面为一边开口的矩形结构， 该结构易于加工，可通过对材料弯折或拼接等方式进行制造；在图(b)中，溢流结构16的两个侧壁为倾斜形式，溢流结构16的底面为水平形式，其截面为一边开口的倒梯形结构，在图(c)中，溢流结构16的截面为平滑的U性结构由于侧壁为倾斜形式，上述溢流结构16的侧壁形成的小角度的倾斜方式，易于从侧壁的顶面溢出的液体的流动，有利于降低液体溢流时对稳压系统的影响，虽然图3中只给出了三种截面形式溢流结构，均为类U形结构，但是本领域技术人员，能够在此基础上进行变形，可以获得更多有利于保持稳压系统的稳定性的结构，如一个侧壁为垂直形式，另一个侧壁为倾斜形式等等，不在此一一列举。对于由多个溢流结构组成的溢流槽3来说，通常溢流结构的底面18为水平设置， 优选其溢流结构的底面18为倾斜形式，底面在靠近主体容器1的侧壁的高度稍微高于与隔板13相连一端的高度，该小角度倾斜的方式有利于液体从溢流结构流向主体容器的C区， 优选该底面相对于水平的方向的倾斜的角度在0-10度之间。如图4所示，其为图1的主体容器1的俯视结构图，其中相邻的溢流结构16的两个侧壁之间具有液体溢流面19，溢流结构16具有底面18，当溢流面19处的液体高度高于溢流结构的侧壁时，液体从溢流结构16 的侧壁流向底面18，进而流入到主体容器1的C区中。空气压缩机7与主体容器1相连，该空气压缩机7用于向主体容器1中充入气体， 其中，该主体容器1具有较大的承压范围，稳压系统可以通过控制充入的气体来调节主体容器1内的气压大�。佣鹘诮氤隽骺诖Φ囊禾宓牧髁康拇笮�。虽然在图1中只示了空气压缩机7以及相应的开关阀9，但是对于计量标准装置来说，气体控制部件的具体结构要复杂的多，本发明只是为了更好的显示稳压结构，而对气压的调节和控制系统进行了省略，在主体容器1上设置有气体压力检测部件14，其测量容器内气体压力的变化，根据具体的计量要求，控制空气压缩机7的工作以及开关阀9的开关。当气压低于测量要求的气压时，开关阀打开，空气压缩器7开始工作并向主体容器1内补充需要的气体；而当气压高于测量要求的气压时开关阀9打开，通过相应的管路将多余部分的气体从主体容器释放。液体泵送部件6，其用于将液体从液体池泵送到主体容器的进流区，该液体泵送部件6可为水泵，离心泵等多种可用于泵送液体的装置，根据计量标准装置具体的控制要求， 液体泵送部件采用合适的泵送速率将液体池8中的液体泵送到主体容器1中，当液体的高度高出溢流面时，溢出的液体从溢流槽3流向主体容器1的C区，如图1所示，C区连接有回流口 15，回流口 15通过溢流阀10与液体池8相连接，其中，溢流控制部件10与主体容器 1的回流区的液位建立闭环控制，流量计量标准装置通过对溢流阀的控制将主体容器1的C 区中的液位控制在一个恒定的位置，避免主体容器1的C区上方的气容的变化影响流量的稳定性。实施例2作为本发明的另一个变形实施例，相对于图1中的水平方向的溢流槽，在本实施例中，溢流槽为垂直纸面的方向设置，在溢流槽的长度方向的两端侧具有水流通道，当从溢流槽中溢流出的液体，从溢流结构16的底面上流入到两侧的水流通道中，然后由水流通道流入到回流区，该水流通道为水平方向设置，其与溢流槽的设置方向相垂直，优选该水流通道靠近回流区一端的高度略低一些，便于溢流液体流入到回流区中。其中，根据具体的主体容器结构设计要求，可以对溢流槽的具体结构以及设置位置进行变形，只要其溢流效果能满足对稳压系统的稳压要求即可。主体容器1的形状不局限于实施例1中的圆筒形结构，其可以为罐形结构、立方体形等各种各样的可适用于具体环境要求的结构形式，由图1中所示，进流口 4、出流口 5和回流口 15均位于主体容器1的底面上，与主体容器1的底板外侧相连接，其连接方式不局限于此，主要保证进流口 4、出流口 5和回流口 15的位置设置不会造成相互影响，进而降低稳压系统的稳定性，可根据具体的设计需要将上述的三个接口分别设置在主体容器的底板上或靠近主体容器1的底板的侧壁上即可。另外，空气压缩机可以由高压气罐来代替，通过气罐的开启或关闭为主体容器1 提供合适大小的气压，且在气路上设置有排气结构，用于释放主体容器中多余的气体。作为本发明的稳压系统，其具体的工作过程如下首先启动空气压缩机7，根据具体待检定或校准计量仪表的要求，向主体容器1中充入合适气压的气体，其中，位于在主体容器1上的气体压力检测部件14，将对主体容器1内气体压力进行测量，且可以根据需要调整主体容器1内的气压；然后启动液体泵送部件6，其为主体容器1提供一个比较稳定的液体流量，当液体液面上升至溢流槽3的顶部时将向槽内发生溢流，通过溢流槽3的各溢流结构16流向主体容器1的回流区，并通过回流口 15回流至液体池8，优选该液体池8为水池， 稳压系统中的液体为水，其中，溢流控制部件10与主体容器1的C区的液位建立闭环控制， 流量计量标准装置通过对溢流阀的控制将主体容器1的回流区中的液位控制在一个恒定的位置，避免主体容器1的C区上方的气容变化影响流量的稳定性；当进行检定或校准时， 稳压系统的进水管、出水管和回流管同时开启，当三者的流量达到一个平衡时，尽管进流口会带来的流量波动，但是该流量波动将通过溢流流量的变化予以平衡，从而保证与出流口连接的出流管中的流量的稳定，其中溢流槽3在水平方向具有足够长的溢流长度，可以保证溢流流量的变化对溢流液位的影响可以忽略；由于溢流液位和回流区的液位的稳定，在平衡工作状态下，主体容器1内的气体体积将保持恒定，压力稳定，这将类似于水塔具有一定的水头，故在主体容器1的出流口的出口位置将具有恒定的压力，进而能够保证出流管产生一个稳定的流量。另外，主体容器1内恒定的气容可以消除叶片转动带来的高频压力脉动，而溢流流量的变化可以消除电泵带来的低频压力脉动，从而实现出水管的稳压要求。
由具体的实施例以及工作过程的描述，可以方便对本发明的稳压系统的结构及工作原理进行理解和实施，但本领域技术人员应该理解，本说明书中列举的具体实施方案或实施例，只不过是为了理解本发明的技术内容，在不背离本发明的主旨和范围的情况下，本发明在形式上和细节上可以进行多种改变，本领域技术人员能够根据具体的液体流量计量标准装置的设计要求，对上述实施例中的各部件进行合理的选择和组合，以及在一定程度上进行的细节和形式上的变化，其依然将落在本发明的稳压系统所要求保护和公开的范围之内。
权利要求
1.一种稳压系统，其包括主体容器，该主体容器具有进流区、出流区和回流区；溢流槽，该溢流槽位于所述主体容器的进流区和出流区的上方，从溢流槽溢出的液体流到所述主体容器的回流区；溢流控制部件，其位于回流区和主体容器外侧的液体池之间，该溢流控制部件控制回流区中的液体的液面高度保持恒定；气压控制部件，其用于向主体容器中充入预定压强的气体；液体泵送部件，其用于将液体池中的液体泵送到主体容器的进流区。
2.如权利要求1所述的稳压系统，其特征在于该主体容器进一步包括有挡板，该挡板用于将进流区、出流区分开，该挡板的高度是主体容器内的最大液面高度的1/2。
3.如权利要求2所述的稳压系统，其特征在于该主体容器进一步包括用于将出流区和回流区分开的隔板，其中，溢流槽一端与主体容器的侧壁连接，另一端与隔板相连接。
4.如权利要求3所述的稳压系统，其特征在于所述溢流槽包括多个水平排列的溢流结构，该溢流槽中所有溢流结构的顶面高度相等且顶面水平光滑，该溢流结< 构为类U形结构。
5.如权利要求4所述的稳压系统，其特征在于所述溢流结构的底面在靠近出流区一端的高度低于其另一端的高度，以便于溢流液体流入到回流区中，该溢流结构的底面相对于水平方向的倾斜角度在0-10度之间。
6.如权利要求5所述的稳压系统，其特征在于所述气体控制部件包括用于向主体容器内充入气体的空气压缩机，用于控制气体充入或释放的开关阀和用于对主体容器内气压进行监控的气体压力检测部件。
7.如权利要求6所述稳压系统，其特征在于所述液体泵送部件为变频泵或带有分流装置的普通泵，该液体泵送部件可以在预定范围内调节进流流量。
8.如权利要求7所述稳压系统，其特征在于所述溢流控制部件为溢流阀或其它能够实现液面高度恒定的控制部件。
9.一种使用如权利要求1-8所述的稳压系统进行稳压的方法，其特征在于首先通过气体控制部件，向主体容器中充入预定气压的气体；利用液体泵送部件，为主体容器提供可调节的液体流量，当液体液面上升至溢流槽的顶部时将向槽内发生溢流，液体通过溢流槽的各溢流结构流向主体容器的回流区；通过溢流控制部件将主体容器的回流区中的液位控制在一个恒定的高度；控制稳压系统的进水口、出水口和回流口的流量，使三者的流量达到一个平衡。
全文摘要
本发明涉及一种稳压系统，其包括主体容器，该主体容器具有进流区、出流区和回流区；溢流槽，该溢流槽位于所述主体容器的进流区和出流区的上方，从溢流槽溢出的液体流到所述主体容器的回流区；溢流控制部件，其位于回流区和液体池之间，该溢流控制部件控制回流区中的液体的液面高度保持恒定；气压控制部件，其用于向主体容器中充入特定压强的气体；液体泵送部件，其用于将液体池中的液体泵送到主体容器的进流区。在本发明的稳压系统中，主体容器内气压相当于水塔提供的压头，利用足够长的溢流长度可以使得溢流量变化对罐内液面高度没有影响，再利用溢流控制阀的闭环调节使得回流区的液面高度稳定，从而实现罐内气容与压力恒定，来保证稳压系统良好的稳压效果。另外，本发明的稳压系统可以调整压力输出，且占地面积小，不受周围环境和场地的限制，节约建设成本，在一定程度上可以替代水塔稳压方法。
文档编号G01F25/00GK102353430SQ20111029023
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者孟涛, 王池, 胡鹤鸣 申请人:中国计量科学研究院
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