恒流装置校准活塞气体流量计的方法研究


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 公司生产的流量范围为 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。
 
中国测试技术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气体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
 
围内一般采用主动活塞式的恒流法气体流量标准装置进行量值传递,在有效消除气容影响后,使主动活塞式的气体流量装置获得了理想的校准结果。1 干活塞气体流量计简介
 
BIOS 公司的干活塞气体流量计采用温度膨胀
 
系数很小的硼硅酸盐玻璃制作气缸体,活塞采用石墨材料制作,这两种材料热膨胀系数非常低,且十分相近,同时两者之间摩擦系数很低,理想的活塞应该是与缸体无摩擦、无泄漏、无形变、无渗透且质量为零,石墨活塞配硼硅酸盐玻璃的气缸体已接近**:石墨活塞形状稳定,摩擦力小,几乎无渗透,同时通过合理的结构设计减小了活塞重量[1]。测量气体流量的工作原理是:当活塞在气缸体底部时关闭旁通阀,打开测量阀,接收气流进入气缸体,活塞上行触发流量测量机构完成流量测量;当活塞运行到气缸体上部,快速关闭测量阀,打开旁通阀,石墨活塞靠自重很快下降复位,此时气流通过旁通阀仍然在平稳流动;活塞回到气缸体底部时,又关闭旁通阀,打开测量阀,流量测量机构将立即复位进行下一次流量测量。
 
根据工作原理可以发现干活塞气体流量计是一个可以连续测量瞬时流量的标准设备,但是在测量时是间断工作的,在测量通道和旁通通道之间切换时流动阻力是不一样的,而普通气体流量计的结构是固定的,不会在运行中有较大的阻力波动,所以用于普通气体流量计校准的恒压型气体流量标准装置不能用于干活塞气体流量计的校准[2-3]。为了准确地校准干活塞气体流量计,研究了两种恒流法的校准方案,综合使用两台气体流量标准装置和一台传递恒流泵,实现了对干活塞气体流量计全流量范围的校准。 
2 标准装置和校准方法
 
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气体流量标准装置,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术参数
     
名称 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%
   
皂膜气体流量   1~1 000 累 流量 量不确定度 Urel=0.5%,
 准装置   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]
 
标准流量值由体积管气体流量标准装置提供。
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 种校准方法是皂膜气体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气体流量装置标定,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,通过皂膜气体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]。标准流量值由皂膜气体流量标准装置提供,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],满足了干活塞气体流量计的基本计量性能指标。对干活塞气体流量计的校准数据进行分析,采用恒流法流量装置可以消除流动阻力的对标准流量的影响,体积管气体流量标准装置的气容被调压阀隔断,它测量的恒定标准流量就不会受干活塞气体流量计的阻力波动影响,只需要测量标准装置和被校准流量计的工作压力,进行气体状态补偿就可以获得流量修正系数[8]。干活塞气体流量计其实就是一种微小体积管,只是和传统体积管的工作方式不同[9]
 
侧重于瞬时流量的测量,利用旁通阀进行连续流量的测量,这也造成传统体积管校准方法不适用于干活塞气体流量计[9]。采用恒流泵传递法校准可以适用于较宽的流量范围,是校准干活塞气体流量计的**理想方法,因皂膜流量标准装置的流量范围较小,流量太大皂膜易变形,能给出较大的恒流泵标定值[10],也就是皂膜流量标准装置的流量范围比干活塞气体流量计小,不能覆盖全部流量范围。所以采用体积管和恒流泵相结合的方法实现了对干活塞流量计的校准。
 
3 结束语
 
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,同时采用皂膜气体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。