蔡　勤　黃湘來　劉敦利

(新疆計量測試研究院，烏魯木齊 830011)

0　引言

皂膜氣體流量標準裝置的測量原理是由穩(wěn)定氣源流出的氣體經(jīng)過被檢流量計進入皂膜流量計，然后擠壓膠球產(chǎn)生皂膜，用秒表測量皂膜經(jīng)過兩刻線之間的時間，從而計算出氣體的瞬時流量。因此，瞬時流量的準確計量來源于皂膜流量計兩刻線之間的容積和測量時間兩個因素。

現(xiàn)在普遍應用的光電檢測技術取代了傳統(tǒng)的秒表計時方法[1]。在皂膜流量計的零刻度和滿量程刻度位置分別安裝一對光纖傳感器，在正常工作時每對光纖傳感器發(fā)送和接收微弱光信號，當皂膜通過傳感器時，光信號突變加強，電腦系統(tǒng)軟件感應到這一信號突變開始計時或者停止計時，從而準確計算出皂膜通過時間，準確度達到10-6s數(shù)量級，誤差幾乎可以忽略不計。由此，皂膜流量計標準容積的示值誤差決定了衡量皂膜氣體流量標準裝置準確度等級[2-4]。

JJG 586—2006《皂膜流量計》檢定規(guī)程中規(guī)定的方法是采用天平稱量皂膜流量計刻度線內(nèi)蒸餾水的質量，從而計算出容積的示值誤差[5]。這其中影響誤差的因素有：蒸餾水溫度變化、蒸餾水蒸發(fā)量、環(huán)境溫度、天平的準確度等級、容器自身重量等，對于大量程的皂膜流量計可以忽略，但是對于10～100mL小量程的皂膜流量計卻影響很大，不能忽略，甚至決定了皂膜流量計標準容積標定的準確度。因此，如何避免或盡量消除上述因素對標定結果的影響，準確標定出皂膜流量計的標準容積成為一個重要研究內(nèi)容[6-8]。

本文嘗試采用三種不同的實驗方法，即分別采用敞口玻璃燒杯、輕質礦泉水瓶、密封的輕質塑料杯作為稱量容器，對同一個皂膜流量計進行容積標定，計算示值誤差和重復性，以此探討和分析標定結果[9]。

1　實驗方法

實驗依據(jù)檢定規(guī)程，采用質量稱重法標定，即首先將皂膜流量計注滿標準容積值的蒸餾水，在規(guī)定時間內(nèi)使蒸餾水流入容器，用天平稱量容器中蒸餾水的質量，進而計算出蒸餾水的體積、容積誤差、重復性等數(shù)據(jù)，以此確定皂膜流量計的準確度等級[5]。被標定皂膜流量計的標準容積是25mL，準確度等級為0.5級。標定采用的主標準器為電子天平，準確度等級為Ⅰ級，測量范圍0.1～500g，分度值0.1mg，在0.1～50g范圍內(nèi)，最大稱量誤差±0.5mg；在50～100g范圍內(nèi)，最大稱量誤差±1.0mg，屬于目前最高等級的天平，完全滿足標定要求。

由于影響蒸餾水質量的關鍵因素在于容器，所以選擇三種不同的容器進行實驗，分別為100mL敞口玻璃燒杯、50mL切割后輕質礦泉水瓶和25mL密封的輕質塑料杯。為得到充分的實驗數(shù)據(jù)，每種方法均在重復性條件下標定6次。

2　實驗過程

2.1　玻璃燒杯實驗

采用100mL玻璃燒杯作為稱量容器，自身重量約52g，實驗過程中蒸餾水平均溫度23.5℃，密度取0.9974215g/cm3。一次實驗中從開始到完成水溫變化0.4℃，滿足檢定規(guī)程中小于0.5℃的要求。實驗得到的6次標定數(shù)據(jù)見表1。

表1　采用玻璃燒杯作容器的標定結果

2.2　礦泉水瓶實驗

為了盡量消除玻璃杯敞口和較重的影響因素，實驗采用切割過的輕質礦泉水瓶作為稱量容器，有效容積約50mL，敞口面積約為燒杯的一半，自身重量約3g。實驗過程中蒸餾水平均溫度23.4℃，密度取0.9974456g/cm3，溫度變化0.3℃。實驗結果見表2。

表2　采用礦泉水瓶作容器的標定結果

2.3　塑料杯實驗

為了進一步消除蒸餾水蒸發(fā)和溫度變化對標定結果的影響，采用25mL密封的輕質塑料杯作為稱量容積，自身重量約11g。實驗過程中蒸餾水平均溫度23.3℃，密度取0.9974697g/cm3，溫度變化0.1℃。實驗結果見表3。

表3　采用塑料杯作容器的標定結果

3　實驗結果

由于皂膜流量計的準確度等級為0.5級，最大允許誤差±5%，重復性小于0.25%。所以，第一種采用敞口燒杯作稱量容器的實驗方法得到的示值誤差和重復性分別為-0.63%和0.33%，均滿足不了要求，標定不合格。第二種采用礦泉水瓶作稱量容器的實驗方法得到的示值誤差和重復性分別為-0.48%和0.27%，示值誤差滿足要求，重復性略大，但還是滿足不了要求，標定不合格。第三種采用密封的輕質塑料杯作稱量容器的實驗方法得到的示值誤差和重復性分別為-0.19%和0.08%，均滿足要求，標定合格。

對比三種實驗結果，可以看出，第三種標定方法得到的示值誤差為另外兩種方法標定結果的1/3和1/2，重復性是另外兩種方法的1/4和1/3，充分說明了采用密封的輕質塑料杯是理想的稱量容器，對皂膜流量計標準容積的準確標定起到重要的作用。

4　結論與討論

第一種方法中，玻璃燒杯開口較大，會造成蒸餾水在實驗過程中蒸發(fā)和溫度變化，影響標定結果；同時，玻璃材質傳熱快，使得蒸餾水容易受外界溫度影響；玻璃燒杯自身重量超過50g，導致稱量結果誤差增大。第二種方法中，輕質礦泉水瓶敞口較小，減少了實驗過程中蒸餾水的蒸發(fā)量和溫度變化，且自身重量小，不影響稱量結果誤差。但塑料材質較差，瓶壁薄，使得蒸餾水更容易受外界溫度影響。第三種方法中，塑料杯密封，避免蒸餾水蒸發(fā)，塑料材質好，避免外界溫度對蒸餾水的影響，保證蒸餾水溫度恒定，且自身重量輕，不影響稱量誤差，得到了較為理想的結果，達到了研究的目的。

皂膜氣體流量標準裝置在檢校小流量氣體流量儀表中發(fā)揮重要的作用，是量值傳遞和溯源的重要環(huán)節(jié)。影響皂膜氣體流量標準裝置準確度等級的因素有皂膜流量計標準容積和時間兩個方面，時間計量采用新的計時器方式，準確度遠遠高于要求，所以只能盡可能提高皂膜流量計標準容積的準確度。本文分別采用敞口玻璃燒杯、輕質礦泉水瓶和密封的輕質塑料杯作為稱量容器進行同一個皂膜流量計的標準容積標定，得到了不同的標定結果。實驗表明，容器的敞口程度、自身重量、材質和壁厚等因素影響了標定結果的準確度，從這些角度出發(fā)，采用密封的、塑料材質的、輕質的容器能夠有效避免以上影響因素，從而取得理想的標定結果。

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