置換法氣體流量標準裝置的設計*

王銳剛，趙金燕，胡 波，黃 勇*

（1.云南農業大學 基礎與信息工程學院，云南 昆明 650201；2.云南省計量測試技術研究院，云南 昆明 650228）

0 引 言

氣體流量計量廣泛用于貿易結算、能源計量、過程控制、環境保護等方面。而氣體流量計流量的溯源核心就是氣體流量標準［1］。特別是近年來全球能源資源的匱乏，全社會對流量計量的要求越來越高，氣體流量標準的研究對建立資源節約型社會和節能型工業具有十分重要的意義。

我國的氣體流量標準研究水平和發達國家相比相對落后，目前我國國內準確度等級最高的氣體小流量標準裝置為重慶市計量質量檢測研究院的200 L活塞式氣體流量標準裝置，準確度0.05級，流量測量范圍為0.01 m3/h～6 m3/h，該裝置于上世紀90年代從日本進口，由于結構復雜，機械加工精度要求高，價格昂貴，限制了該標準裝置的大量生產，使得這種計量方法無法廣泛使用［2］，目前國內科研機構、計量部門大量使用氣體流量標準為0.5級鐘罩氣體流量標準和0.5級皂膜氣體流量標準，氣體流量的標準總體水平較低［3］。對于大量作為標準使用的0.2級、0.5級氣體流量計無法校準，因此，如何有效校準高精度氣體流量的標準研究迫在眉睫。

據國外相關資料報道，荷蘭計量技術研究院建立了低壓動態置換氣體原級標準裝置的荷蘭國家基準，由500 L鐘罩提供1 m3/h～4 m3/h的小流量。我國尚未開展用液體置換法的氣體流量標準的研究。目前采用的氣體流量標準裝置對于小流量氣體計量準確度低，并且校準費用大，對高精度的氣體流量計無法校準。針對目前氣體小流量標準裝置存在的問題，設計并研制置換法氣體流量標準裝置，滿足社會對提高氣體流量精密檢測技術的要求，為企業節能降耗提供手段，具有十分重要的意義。

本研究根據流體力學基本原理，采用液體置換法設計檢測氣體流量的標準方法。

1 液體置換法氣體流量裝置的設計

1.1 置換法的工作原理

根據流體力學知識，當普通流體不可壓縮，密度為常數，且流動是恒定的時候，可視為理想流體看待。而理想流體流動時流過任意不同截面時滿足質量守恒和機械能守恒定律，即滿足流體力學的連續性方程和伯努利方程［4-5］。

置換法氣體流量校準是將被校流量計、密封標準容器和標準容器用管路連接起來，液體以一定流量流入標準量器，測出流入標準容器的液體流量，并與被校流量計的示值進行比較，從而檢測被測的氣體流量計。置換法的工作原理圖如圖1所示。

下面以圖1來說明校準過程:

首先，關閉閥4和閥5，打開閥1和閥2，用水泵將標準密封容器裝滿水，關閉閥1和閥2，打開閥3，根據被校流量范圍分別選用小流量調節閥4或大流量調節閥5、閥6調到流量檢定點，開始計時，這時標準密封容器的水流入標準量器，同時分別記錄被校流量計前和密封容器內的溫度、濕度和壓力，當水可以從標準量器液位讀出時，記錄時間t和標準體積Vs，由于是校準氣體流量計，必須對流動氣體的溫度、壓力、濕度加以修正，被校流量計為轉子流量計［6-7］，根據下式可計算出通過被校氣體流量計的標準刻度流量qsN:

圖1 置換法的工作原理圖

式中:Vs—流入標準量器的液體體積；t—液體流入標準量器的時間；PN，Ps，Pm—標準狀態下、標準密封容器內和流量計前的氣體絕對壓力，PN=101 325 Pa；TN，Ts，Tm—標準狀態下、密封容器內和流量計前的氣體熱力學溫度，TN=293.15 K；PDs，PDm—標準密封容器內和流量計前水蒸氣壓力。

被校流量計為其他氣體流量計，根據下式可計算出通過被校氣體流量計的實際流量qs:

1.2 氣體流量裝置的樣機

圖2 裝置樣機圖

氣體流量裝置的樣機如圖2所示。管路設計參數分別是:管內徑d=0.032 m，管道長度l=1.5 m，流量Q1=130 L/min，Q2=45 L/min，水溫T=20 ℃，裝置管路采用PVC材質，絕對粗糙度K=0.02 mm。

1.3 置換法氣體流量裝置的軟件設計

該系統軟件設計采用結構化和模塊化設計方法，便于功能擴展。該管理系統主要由文件、檢定模塊、查詢模塊、圖像采集模塊、數據維護等模塊組成。其中，最核心的模塊是檢定模塊，該模塊包括連接標準流量裝置、溫濕度計、壓力表進行流量檢定3個功能。

1.3.1 測量前信息

測量前需要對待檢表的相關信息進行登記，主要有委托單位、制造廠、規格型號等。按照實際情況如實填寫各欄即可。其中，流量計類型選定、流量計上限流量及單位、檢定依據等須參照待檢表來認真填寫。當確認信息錄入無誤后點擊“保存”完成測量前信息錄入，進入下一步，即進入測量監控部分。

該軟件還支持續檢功能，即能繼續完成以前未完成的檢定工作。具體操作為:點擊更多未測量信息按鈕，界面上測量編號就會變成下拉框并列出所有未完成的檢定，選擇需續檢的序號即可進入測量監控界面繼續檢測。

1.3.2 測量監控

測量監控主要由以下幾個部分組成:連接狀態區、開關狀態區、控制鍵盤區、實時數據采集顯示區、自動測量量程選擇區、測量相關信息錄入及結果顯示區等。具體軟件界面如圖3所示。

圖3 測量監控界面

各模塊功能和操作方法如下:

（1）連接狀態。標示系統與壓力表、溫濕度計和氣體流量標準裝置的連接狀態，如沒連接上則顯示紅色并漢字提示無法連接，此時需檢查相關設備和系統的連接線，排除故障后點擊“重新連接”按鈕重新測試連接狀況。若確定采用脫機測試則可點擊相應裝置連接狀況的漢字提示區，就可關掉與相應設備的連接而進行脫機測試。此時顏色會變成灰色并提示手動輸入相應數據；如脫離氣體流量標準裝置則只能進行離機測量。如需再連接各設備進行測量，點擊“重新連接”即可。如系統和各設備連接上則顯示綠色并漢字提示，此時可進行所有的操作。

（2）測量方式選擇區。動態測量和靜態測量選擇。動態測量為采用換向法進行測量，即在測量過程中首先打開通向水槽的電磁閥開始放水，流速穩定后關閉通向水槽的電磁閥，打開通向電子秤上的容器閥門開始測量。靜態測量為不進行換向操作，直接打開通向電子秤上的容器閥門開始測量。

（3）鍵盤控制區。主要由離機測量、復位、放水、注水、自動測量、手動測量、開始測量和停止測量8個鍵組成。其中離機測量是專為小流量檢測而設計，主要操作為點擊此按鈕開始計時、采集溫濕度及壓強值，再次點擊結束測量，該操作可脫離氣體流量標準裝置而進行。鍵盤控制區后7個按鍵主要是操作氣體流量標準裝置而進行測量。

（4）實時數據采集區。顯示測量過程中的各個測量結果值。當脫離壓力表進行測量時標準器內表壓會變成輸入框，此時需手動輸入壓力值，當脫離溫濕度計進行測量時標準器內溫度、標準器內濕度都會變成輸入框，此時需手動輸入溫濕度值。

（5）自動測量量程選擇。當進行自動測量時需在此選擇量程，有10 L、50 L和100 L（默認）3個選項，當選擇好量程后再進行自動測量時在液位到達量程位置時則會自動停止測量。

（6）單位選擇和標準選擇。有mL和L，還有瞬時和累計4個選項，根據實際情況進行選擇。會影響最后的計算結果的單位和數值及報表格式。

（7）測量相關信息錄入和結果顯示。手動錄入當地大氣壓、流量計前溫濕度值、實測容積值、被檢表流量和流量計前表壓再點計算則可以得出此次測量的結果。點擊“保存”完成一次測量流程。

1.3.3 測量結果

測量結果分為測量記錄區、相關信息錄入區兩部分。測量記錄區是記錄上一步中測量的結果數據，相關信息錄入區主要是錄入檢定審核信息，點擊“保存結果”結束此次的測量，點擊“打印”則可顯示測量報告打印信息。測量結果界面如圖4所示。

2 檢定結果分析

測量不確定度是評定測量質量的一個重要指標，也是評定測量設備能力的基本指標［8］。本研究根據JJF1059-1999［9］及自行設計的氣體流量標準裝置樣機的實際情況，在制備的樣機上進行了試驗。

圖4 測量結果界面

試驗分析檢定結果表明:置換法氣體流量標準裝置的擴展不確定度為U=0.09%（k=2），達到該設計U=0.15%（k=2）的要求［10］。

3 結束語

本研究根據流體力學基本原理，采用液體置換法設計檢測氣體流量的標準方法。

研究結果表明，置換法氣體流量裝置具有操作方便、穩定性高、重復性好等優點，用置換方法標準氣體校準流量計，符合國家量傳系統表中流量計的溯源。置換法氣體流量裝置校準1 L/min以下小流量氣體流量計采用的是高液位負壓法，由于流量計前為大氣，液體流出時有小口徑短管控制，無需加泵僅靠液體自流就可達到恒壓，計算和操作相對簡單。置換法流量標準裝置校準較大流量時采用泵產生恒定流量，從而達到恒壓，使流量點的調節易于控制。置換法流量標準裝置在流量量傳體系中將起到重要作用，特別是在高準確度、小流量測量方面具有優勢。

（References）:

［1］周偉華.淺談流量計量的意義［J］.計量與測試技術，2008，35（8）:85-86.

［2］徐英華.淺談氣體流量標準裝置的發展狀況［J］.現代測量與實驗室管理，2004（2）:7-8.

［3］王自合.氣體流量標準裝置［M］.北京:中國計量出版社，2005.

［4］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［5］劉建軍.流體力學［M］.北京:北京大學出版社，2006.

［6］段慧明.液體流量標準裝置和標準表法流量標準裝置［M］.北京:中國計量科學出版社，2004.

［7］北京市計量科學研究所.JJG 257-1994中華人民共和國國家計量檢定規程:轉子流量計［S］.北京:中國計量出版社，1994.

［8］王 池.流量測量不確定度分析［M］.北京:中國計量出版社，2002.

［9］李慎安.JJG1059-1999測量不確定度的評定與表示［M］.北京:中國計量出版社，1999.

［10］莫偉平.液體置換法氣體流量標準裝置的研究［D］.昆明:昆明理工大學信息工程與自動化學院，2010.