干式流量校準(zhǔn)器是一種應(yīng)用廣泛的流量計, 它采用了干式活塞運動的原理, 通過容積和運動時間測得流量。與一些傳統(tǒng)的流量計相比, 它可以連續(xù)讀取示值, 準(zhǔn)確度高, 使用起來快速方便。本實驗室使用了一款高準(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、浮子流量計、皂膜流量計等。

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

氣體小流量測量校準(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。

本文試驗用的被校表是電子皂膜流量計[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、旁路和流量計算單元組成, 其流量范圍為5~50 000 m L/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)確地測量出活塞通過氣缸的時間就可以計算出準(zhǔn)確的體積流量, 其內(nèi)部自帶溫度和壓力傳感器可實現(xiàn)地自動補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。

在校準(zhǔn)過程中, 氣體流入皂膜流量計, 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——分別為皂膜流量計前端和內(nèi)部干空氣的壓強, k Pa;

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

T0, T1——分別為皂膜流量計前端和內(nèi)部的氣體溫度, K

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

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

p0, sa, p1, sa——分別為T0, T1條件下的水蒸氣飽和壓強, k Pa

將式 (2) 代入式 (1) 得:

由于校準(zhǔn)過程中皂膜流量計處于穩(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, k Pa;

φ2——為標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)部氣體的相對濕度, %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:

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

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

試驗使用了三款常見的電子皂膜流量計, 分別是國外某公司的20cc-6LPM型電子皂膜流量計 (***大流量為6 000 m L/min) 、北京某公司的GL-103A型電子皂膜流量計 (***大流量為2 000 m L/min) 、武漢某公司的TH-ZM8型電子皂膜流量計 (***大流量為2 000 m L/min) 。這三款流量計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的對比試驗結(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)行對比, 找出合適的修正值。

由以上三個表格數(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。

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)器的氣體小流量測量校準(zhǔn)系統(tǒng)對皂膜流量計的校準(zhǔn)中。經(jīng)過試驗驗證, 該濕度修正方法有效可靠, 能消除濕度對校準(zhǔn)結(jié)果的影響。