/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

干式流量校準(zhǔn)器是一種應(yīng)用廣泛的流量計(jì)，它采用了干式活塞運(yùn)動(dòng)的原理，通過容積和運(yùn)動(dòng)時(shí)間測(cè)得流量。與一些傳統(tǒng)的流量計(jì)相比，它可以連續(xù)讀取示值，準(zhǔn)確度高，使用起來快速方便。本實(shí)驗(yàn)室使用了一款高準(zhǔn)確度干式流量校準(zhǔn)器作為氣體小流量測(cè)量校準(zhǔn)系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)器，用來校準(zhǔn)流量較小的氣體質(zhì)量流量計(jì)、浮子流量計(jì)、皂膜流量計(jì)等。

校準(zhǔn)皂膜流量計(jì)的過程中，干燥的氣體流過皂膜流量計(jì)時(shí)氣體會(huì)被加濕，而流過干式流量校準(zhǔn)器的氣體是干燥的，對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。為了消除濕度對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響[1]，可以在前端增加一個(gè)加濕器，使氣源經(jīng)過加濕后再流入流量計(jì)，但長(zhǎng)時(shí)間使用這樣方法，會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器造成損壞。本文介紹一種濕度修正的方法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器的示值加以修正，這樣既不損壞標(biāo)準(zhǔn)器，也能消除濕度對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響。

1 校準(zhǔn)系統(tǒng)組成

氣體小流量測(cè)量校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成如圖1所示，主要包括氣源（高純氮）、減壓閥、流量調(diào)節(jié)閥、換向閥、標(biāo)準(zhǔn)器、被校表等。被校表和標(biāo)準(zhǔn)器是并聯(lián)的，通過換向閥切換氣體流向。

本文試驗(yàn)用的被校表是電子皂膜流量計(jì)[2]。標(biāo)準(zhǔn)器采用的是SL-800型干式流量校準(zhǔn)器，如圖2所示。這款干式流量校準(zhǔn)器由底座、氣缸、活塞、光電發(fā)射器、溫度傳感器、壓力傳感器、旁路和流量計(jì)算單元組成，其流量范圍為5～50 000 mL/min，不確定度為0.2%（k= 2）。該干式流量校準(zhǔn)器中的圓筒形氣缸推動(dòng)內(nèi)部的活塞上升，由于氣缸活塞的幾何尺寸是固定的，只要準(zhǔn)確地測(cè)量出活塞通過氣缸的時(shí)間就可以計(jì)算出準(zhǔn)確的體積流量，其內(nèi)部自帶溫度和壓力傳感器可實(shí)現(xiàn)精確地自動(dòng)補(bǔ)償從而獲得氣體的質(zhì)量流量。它采用無汞密封，安全環(huán)保。

圖1 校準(zhǔn)系統(tǒng)組成

圖2 干式流量校準(zhǔn)器

2 濕度的分析和修正

在校準(zhǔn)過程中，氣體流入皂膜流量計(jì)，氣體中的干空氣質(zhì)量保持不變[3]，根據(jù)氣體狀態(tài)方程，得到：

式中：p0,d，p1,d—— 分別為皂膜流量計(jì)前端和內(nèi)部干空氣的壓強(qiáng)，kPa；

V0，V1—— 分別為皂膜流量計(jì)前端和內(nèi)部的氣體流量體積，m3；

T0，T1—— 分別為皂膜流量計(jì)前端和內(nèi)部的氣體溫度，K

式中：p0，p1—— 分別為皂膜流量計(jì)前端和內(nèi)部氣體總壓強(qiáng)，kPa；

φ0，φ1—— 分別為皂膜流量計(jì)前端和內(nèi)部氣體的相對(duì)濕度[4]，%RH；

p0,sa，p1,sa—— 分別為T0，T1條件下的水蒸氣飽和壓強(qiáng)，kPa

將式（2）代入式（1）得：

由于校準(zhǔn)過程中皂膜流量計(jì)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，其前端和內(nèi)部的氣體溫度近似相等，即T0=T1，則有p0,sa=p1,sa=psa，式（3）可以簡(jiǎn)化為

由于換向閥只是起到轉(zhuǎn)變氣體方向的作用，皂膜流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)器前端的氣體狀態(tài)條件相同，同理可得：

式中：p2—— 為標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)部氣體總壓強(qiáng)，kPa；

φ2—— 為標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)部氣體的相對(duì)濕度，%RH；

V2—— 為標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)部的氣體流量體積，m3

將式（4）和式（5）合并可得：

濕度的修正量為

將式（6）代入式（7）得：

試驗(yàn)中測(cè)得氣體的溫度為22 ℃，查表得水蒸氣飽和壓強(qiáng)psa為2.644 7 kPa。經(jīng)檢測(cè)，φ1為99.6%RH，φ2為 44.2%RH，p1為 101.222 kPa，p2為101.236 kPa。將這些數(shù)值代入式（8），得到理論修正值為1.5%。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述分析是否正確，本文作者做了一組對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)有加濕器和無加濕器兩種情況下皂膜流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)器的誤差進(jìn)行比較，得到了實(shí)際的修正值。

試驗(yàn)使用了三款常見的電子皂膜流量計(jì)，分別是國(guó)外某公司的20cc-6LPM型電子皂膜流量計(jì)（最大流量為6 000 mL/min）、北京某公司的GL-103A型電子皂膜流量計(jì)（最大流量為2 000 mL/min）、武漢某公司的TH-ZM8型電子皂膜流量計(jì)（最大流量為2 000 mL/min）。這三款流量計(jì)都是剛完成出廠檢定、全新未使用過的。三種類型的皂膜流量計(jì)的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2和表3所示，把安裝了加濕器前后的標(biāo)準(zhǔn)器示值進(jìn)行對(duì)比，找出合適的修正值。

表1 20cc-6LPM型皂膜流量計(jì)的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

表2 GL-103A型皂膜流量計(jì)的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

表3 TH-ZM8型皂膜流量計(jì)的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

由以上三個(gè)表格數(shù)據(jù)可知，平均修正值在1.5%左右，與之前理論分析得到的修正值基本相同，所以說該濕度修正方法是正確的。

4 結(jié)語

綜上所述，本文介紹的濕度修正的方法，可以用于以干式流量校準(zhǔn)器作為標(biāo)準(zhǔn)器的氣體小流量測(cè)量校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)皂膜流量計(jì)的校準(zhǔn)中。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該濕度修正方法有效可靠，能消除濕度對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響。

[1]胡志鵬，孫秀良，趙艷.臨界流文丘里噴嘴質(zhì)量流量計(jì)算中臨界流函數(shù)的取用及濕度修正的影響[J].工業(yè)計(jì)量，2012（s1）：59-60.

[2]廖麗華.電子皂膜流量計(jì)的研究與設(shè)計(jì)[D].吉林大學(xué)，2010.

[3]王國(guó)輝，趙明，鐵楓，等.靜態(tài)容積法標(biāo)定氣體鐘罩的濕度修正[J].中國(guó)儀器儀表，2010（3）：36-37.

[4]王自和，范砧.氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2005.