恒流裝置校准活塞氣體流量計的方法研究


0 引 言
 
近年来国内的环境监测中心站和各级计量检测机构,都陆续配置了美国 BIOS 公司中文字幕亚洲的流量范围为 10~30 000 mL/min 的干活塞气体流量计,作为校准动态配气系统使用的微小气体流量计的计量标准器。干活塞气体流量计工作时不需要动力,是被动式的活塞装置,利用一个旁路阀达到连续测量,采用多次测量平均值获得较高准确度的标准流量值,它还克服了皂膜式气体流量计的缺点,是一个不受水蒸汽影响的体积管气体流量测量系统。BIOS 公司的干活塞气体流量计通过一台传递恒流泵向美国 NIST 的气体流量基准装置进行量值溯源。
 
中国测试技術研究院采用传递比较法进行流量量值溯源是一种新的尝试,通过一台传递恒流泵向皂膜氣體流量标准装置进行量值溯源,干活塞气体流量计的恒流泵传递校准方法成功地完成了小流量量值的溯源,是对我国流量量值溯源体系的补充;由于在 1 000 mL/min 以上流量的气体流量标准装置很少采用被动式的工作原理,在 1 000~30 000 mL/min 范
 
圍內一般采用主動活塞式的恒流法氣體流量標准裝置進行量值傳遞,在有效消除氣容影響後,使主動活塞式的氣體流量裝置獲得了理想的校准結果。1 幹活塞氣體流量計簡介
 
BIOS 公司的干活塞气体流量计采用温度膨胀
 
系數很小的硼矽酸鹽玻璃制作氣缸體,活塞采用石墨材料制作,這兩種材料熱膨脹系數非常低,且十分相近,同時兩者之間摩擦系數很低,理想的活塞應該是與缸體無摩擦、無泄漏、無形變、無滲透且質量爲零,石墨活塞配硼矽酸鹽玻璃的氣缸體已接近**:石墨活塞形狀穩定,摩擦力小,幾乎無滲透,同時通過合理的結構設計減小了活塞重量[1]。測量氣體流量的工作原理是:當活塞在氣缸體底部時關閉旁通閥,打開測量閥,接收氣流進入氣缸體,活塞上行觸發流量測量機構完成流量測量;當活塞運行到氣缸體上部,快速關閉測量閥,打開旁通閥,石墨活塞靠自重很快下降複位,此時氣流通過旁通閥仍然在平穩流動;活塞回到氣缸體底部時,又關閉旁通閥,打開測量閥,流量測量機構將立即複位進行下一次流量測量。
 
根據工作原理可以發現幹活塞氣體流量計是一個可以連續測量瞬時流量的標准設備,但是在測量時是間斷工作的,在測量通道和旁通通道之間切換時流動阻力是不一樣的,而普通氣體流量計的結構是固定的,不會在運行中有較大的阻力波動,所以用于普通氣體流量計校准的恒壓型氣體流量標准裝置不能用于幹活塞氣體流量計的校准[2-3]。爲了准確地校准幹活塞氣體流量計,研究了兩種恒流法的校准方案,綜合使用兩台氣體流量標准裝置和一台傳遞恒流泵,實現了對幹活塞氣體流量計全流量範圍的校准。 
2 標准裝置和校准方法
 
选用校准较大流量的标准装置是体积管气体流量标准装置,它是一台主动活塞式的气体流量装置,能够输出恒定流量,流量稳定度 0.2%;校准较小
 
流量的标准装置是皂膜氣體流量标准装置,配套的气源是 Airpro6000D 恒流泵,可以输出恒定流量,流量稳定度 0.2%。标准装置的性能见表 1。
 
  表 1 标准装置的性能和主要技術参数
     
名稱 流量范 /(mL·min-1 技 指
体 管气体   200~100 000 累 流量 量不确定度 Urel=0.05%,
流量 准装置   k=2;流量 定度 0.2%
   
皂膜氣體流量   1~1 000 累 流量 量不确定度 Urel=0.5%,
 准裝置   k=2
   
Airpro6000D   20~20 000 流量 定度 0.2%
恒流  
     
       
 
根据不同的流量范围采用了两种校准方法,第 1 种是体积管气体流量标准装置正压校准法,本方法适应校准流量范围为 500~30 000 mL/min 的干活塞气体流量计。气路连接方式如图 1 所示,调压阀后端连接被校流量计的管线应尽可能短,以消除气容受阻力变化的影响,调压阀前端的庞大气容被调压阀的较高阻力隔断了,从而获得了稳定的恒流气源[4]
 
標准流量值由體積管氣體流量標准裝置提供。
校准过程:首先在体积管气体流量标准装置控制系统上设置校准流量值 q,打开体积管气体流量标准装置的流量开关并启动体积管,让体积管气体流量标准装置在设定的流量下运行,在运行过程中调节调压阀的开关,观察体积管装置内压力值,当压力值稳定后,记录被校干活塞气体流量计连续运行 20
 
次后获得的平均流量值和体积管气体流量标准装置实际流量值,体积管气体流量标准装置控制系统自动采集气体温度、当前大气压力、表前压力和装置内压力。校准记录如表 2 所示。
 
体积管气体流量标准装置受流量控制系统输出分辨率影响,在较小流量时(低于 500 mL/min)的调节能力下降,较难获得稳定流量。采用的第 2 种校准方法是皂膜氣體流量标准装置和恒流泵传递校准法,在 20~500 mL/min 范围要想获得恒流气源只能采用恒流泵,恒流泵的流量值由皂膜氣體流量装置标定,这种传递校准法适用于校准流量范围在
 
20~500 mL/min 的干活塞气体流量计。负压用皂膜气
 
体流量标准装置的出气口连接恒流泵的吸气口,测量出一个标准流量值,再把恒流泵的吸气口连接被校干活塞气体流量计的出气口,如图 2 所示。
的干活塞气体流量计进行该流量点的校准。恒流泵连接被校准的干活塞气体流量计的管线应尽可能短,以消除气容受阻力变化的影响。由于校准的流量值很低,干活塞气体流量计的工作阻力很小,与皂膜相差不大,约 50 Pa,可以不用压力补偿。负压工作的恒流泵吸入的是恒温实验室空气,通过皂膜氣體流量标准装置和通过干活塞气体流量计吸入的气温相差不大,可以不用温度补偿[5]。标准流量值由皂膜氣體流量标准装置提供,记录皂膜管体积和通过皂膜管体积刻线的时间,计算出标准器实际流量,并记录被校干活塞气体流量计的平均显示流量值,见表 3。
 
上面两种方法的校准结果重复性都优于 0.1%,
 
流量修正系数的测量不确定度在 0.3% ~0.6% 的
 
水平[6-7],滿足了幹活塞氣體流量計的基本計量性能指標。對幹活塞氣體流量計的校准數據進行分析,采用恒流法流量裝置可以消除流動阻力的對標准流量的影響,體積管氣體流量標准裝置的氣容被調壓閥隔斷,它測量的恒定標准流量就不會受幹活塞氣體流量計的阻力波動影響,只需要測量標准裝置和被校准流量計的工作壓力,進行氣體狀態補償就可以獲得流量修正系數[8]。幹活塞氣體流量計其實就是一種微小體積管,只是和傳統體積管的工作方式不同[9]
 
側重于瞬時流量的測量,利用旁通閥進行連續流量的測量,這也造成傳統體積管校准方法不適用于幹活塞氣體流量計[9]。采用恒流泵傳遞法校准可以適用于較寬的流量範圍,是校准幹活塞氣體流量計的**理想方法,因皂膜流量標准裝置的流量範圍較小,流量太大皂膜易變形,能給出較大的恒流泵標定值[10],也就是皂膜流量標准裝置的流量範圍比幹活塞氣體流量計小,不能覆蓋全部流量範圍。所以采用體積管和恒流泵相結合的方法實現了對幹活塞流量計的校准。
 
3 結束語
 
干活塞气体流量计的流量范围很宽,很难选择一种气体流量标准装置完成校准工作,由于干活塞气体流量计是间歇式工作,流动阻力周期性变化,采用体积管气体流量标准装置配合调压阀测量较大流量,同时采用皂膜氣體流量标准装置传递恒流泵测量较小流量的方法,弥补了单一方法不能校准干活塞气体流量计全流量范围的缺陷。两种方法获得的恒流气源在校准干活塞气体流量计时,有一部分流量范围是重叠的,也通过在重叠区域的校准工作比对了两套装置的量值,获得理想的结果。