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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
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）。
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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
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。
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）
图 5-4 链条补偿（美国生产）
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链条 钟罩
配重物
图 5-5 虹吸补偿（法国生产）
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
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mF
z
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F
Fm′
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Ff
F
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fF′Leabharlann 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
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
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
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
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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１ ９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。
compensating curve
buoyancy compensation
counterpoise
oiltank
bell fan
leadingshaft longitudinal ball bearing
glass scale
M airblower
sealing oil
meter under test
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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。
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，
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。
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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。
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。