干式流量校準器是一種應用廣泛的流量計, 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, 準確度高, 使用起來快速方便。本實驗室使用了一款高準確度干式流量校準器作為氣體小流量測量校準系統(tǒng)中的標準器, 用來校準流量較小的氣體質(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器的氣體是干燥的, 對校準結果產(chǎn)生較大影響。為了消除濕度對校準結果的影響[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, 會對標準器造成損壞。本文介紹一種濕度修正的方法, 對標準器的示值加以修正, 這樣既不損壞標準器, 也能消除濕度對校準結果的影響。

氣體小流量測量校準系統(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、標準器、被校表等。被校表和標準器是并聯(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]。標準器采用的是SL-800型干式流量校準器, 如圖2所示。這款干式流量校準器由底座、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, 只要準確地測量出活塞通過氣缸的時間就可以計算出準確的體積流量, 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, 皂膜流量計和標準器前端的氣體狀態(tài)條件相同, 同理可得:

式中:p2——為標準器內(nèi)部氣體總壓強, k Pa;

φ2——為標準器內(nèi)部氣體的相對濕度, %RH;

V2——為標準器內(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準器的誤差進行比較, 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果如表1、表2和表3所示, 把安裝了加濕器前后的標準器示值進行對比, 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器作為標準器的氣體小流量測量校準系統(tǒng)對皂膜流量計的校準中。經(jīng)過試驗驗證, 該濕度修正方法有效可靠, 能消除濕度對校準結果的影響。