濕度變化對置換法氣體小流量裝置影響的研究

向德華

(湖南省計量檢測研究院，湖南長沙 410011)

0 引言

空氣的物理化學性能相對穩定，經常用作檢測流量儀表的載體，空氣成分變化最大的組分是水蒸汽，也就是濕度的變化，精確測量氣體流量一般需要考慮濕度的影響。一方面，干空氣的組分固定，分子量、標準密度等理化指標基本是常數，設計流量儀表、裝置可以通過文獻獲得，但實際使用時大部分介質是濕氣體，如空氣濕度對音速文丘里噴嘴測量空氣流量的影響，當空氣濕度為50%RH，溫度為20℃時，濕度對流量測量的影響約為0.24%［1］;用節流裝置測量濕人工煤氣時，濕度對流量測量也有較大影響，當濕度為80%RH，溫度為50℃時，其影響達到11.4%［2］。另一方面，在檢定流量計時，被測氣體在被測流量儀表和標準裝置兩個位置的濕度不同也會產生測量誤差，使用氣體置換水的氣體流量裝置檢測氣體流量儀表時就必須考慮測量過程中濕度變化的影響。

1 置換法氣體小流量裝置的原理［3］

圖1 置換法氣體小流量標準裝置

如圖1所示，一定壓力的空氣通過質量流量控制器調節需要的流量，再經被檢表后流入裝滿水的儲水容器中，水受到氣體的擠壓進入標準量器，進入容器中氣體體積等于標準量器中水的體積增加值。根據類似于PVTt裝置的原理［4］，即在某時間間隔 t內氣體流入特定儲水容器的體積為V，測量容器內氣體絕對壓力P和熱力學溫度T，用氣體狀態方程計算出氣體質量。流經被檢儀表的氣體質量等于儲水容器的氣體質量增加量，因此，可以計算出被檢表示值誤差。

2 計算公式

氣體質量流量公式為

式中:qm為質量流量;V1為開始檢測前，儲水容器及被檢表后管道閥門的氣體空間體積，m3;V2為氣體排出水的體積，m3;t為測量時間，s;P1，P2分別為測量開始前、后空氣的絕對壓力，Pa;T1，T2分別為測量開始前后空氣的熱力學溫度，K;Z為空氣壓縮系數;R為氣體常數;R=8.3144;M為空氣分子量。

3 氣體濕度變化實驗

3.1 壓縮空氣

壓縮空氣壓力0.4 MPa，在100.23 kPa，24.8℃時濕度為30.50%RH。選10 L量器，不同流量做實驗，觀察當流量為1，2，6，10，16 L/min(0℃，1 atm為標準狀態)時，流入儲水容器 (體積約10 L)氣體濕度的變化。濕度測量選用0.2級標準濕度傳感器，向儲水容器充氣達到預定液位后，停止充氣，立即把進入儲水容器的空氣放出，裝入一個密封內置濕度傳感器的塑料袋中，濕度示值穩定后，讀出濕度值和溫度值，實驗數據如表1所示。

表1 不同流量儲水容器內空氣的濕度變化

通過表1可以看出:環境溫度26.2℃，大氣壓100.23 kPa時，空氣 (相對濕度30.50%RH)以16 L/min的流量進入裝滿水的容器中，當氣體體積達到10 L，約37.5 s(加上操作時間，實際停留時間約1 min)后，空氣的相對濕度變為80.05%RH(25.21℃);當流量為1 L/min時，氣體體積達到10 L，約10 min后，空氣的相對濕度為81.49%RH(25.41℃)。水的蒸發速度非常快，26℃時1 min內氣體的相對濕度從30.50%RH上升到80.05%RH，延長到10 min，濕度變化約2%RH。

3.2 高純氮氣

用高純氮氣代替壓縮空氣重復上述實驗，數據如表2所示。

表2 不同流量儲水容器內氮氣的濕度變化

通過表2可以看出:環境溫度26.0℃，大氣壓100.20 kPa時，高純氮氣 (相對濕度接近 0)，以16 L/min的流量進入裝滿水的容器中，當氣體體積達到10 L，約37.5 s(加上操作時間，實際停留時間約1 min)后，氮氣的相對濕度為78.12%RH(25.10℃);當流量為1 L/min時，氣體體積達到10 L，約10 min后，氮氣的相對濕度為79.58%RH(24.80℃)。由于水蒸發的影響，26℃時1 min內氮氣的相對濕度從0上升到 78.12%RH，延長到 10 min，濕度變化約3%RH。

3.3 不同溫度的壓縮空氣

改變溫度，用壓縮空氣進行上述實驗，空氣壓力0.4 MPa，在99.86 kPa，22.81℃時，濕度為26.30%RH，重復上述實驗，結果如表3所示。

表3 不同流量儲水容器內空氣的濕度變化

通過表3可以看出:環境溫度23.0℃，大氣壓99.86 kPa時，空氣 (相對濕度26.3%RH)以16 L/min的流量進入裝滿水的容器中，當氣體體積達到10 L，約37.5 s(加上操作時間，實際停留時間約1 min)后，空氣的相對濕度為70.18%RH(23.10℃);當流量為1 L/min時，氣體體積達到10 L，約10 min后，空氣的相對濕度為73.58%RH(23.28℃)。由于水蒸發的影響，23℃時1 min內氣體的相對濕度從26.3%RH上升到70.18%RH，延長到10 min，濕度變化約4%RH。

結合上述三組實驗可以得出結論:水在密閉容器中，1 min內蒸發速度很快，1 min后蒸發速度下降，1～10 min水蒸發的變化量不大，室溫23～26℃時，約(2～4)%RH;水的蒸發與溫度有關，溫度越高，1 min內密閉容器內氣體達到的濕度越高;對于1 min觀測時間來說，水的蒸發速度極快，以至于可以忽略進入密閉容器氣體的濕度大小，不同濕度氣體進入儲水容器內1 min后濕度值基本接近。

4 濕度變化對置換法氣體小流量裝置的影響

使用置換法氣體小流量裝置時，氣體在儲水容器內的停留時間一般超過1 min，溫度在23～26℃時，氣體濕度變化 (40～50)%RH。為了便于分析濕度變化對流量測量準確度的影響，統一按最小變化量40%RH計算，假設儲水容器內氣體壓力為110000 Pa，如果不考慮濕度變化，將對流量測量結果產生影響，如表4所示。

表4 濕度對流量測量的影響

通過表4可以看出:由于進入儲水容器的氣體濕度增加，導致裝置測得的氣體質量偏大，在23～26℃范圍內超過1%;濕度變化對流量測量的影響隨溫度升高而加大。

5 問題的解決

由于氣體濕度變化，可以使裝置的測量誤差達到1%左右，如果不解決該問題，這種置換法氣體裝置將無法投入使用。主要有四種解決方法:采用飽和蒸汽壓低的油替換水，在線測量容器內氣體的濕度，恒溫使用和氣水分離。用油替換水，仍然會受油蒸汽壓的影響，所以應選擇飽和蒸汽壓小的油，此外由于油的粘度比水大，會增加標準量器溯源的難度。在線測量濕度采用一般傳感器準確度很難達到要求，高精度傳感器價格較貴。恒溫使用要求每次測量期間環境溫度變化不超過0.3℃ (按該項不確定度分量不超過0.02%估算)，而且需要準確測量壓縮空氣的濕度，比較麻煩。因此，選擇用氣球把水氣隔離的辦法，如圖2所示，被測氣體經質量流量控制器調節流量后，流過被檢表，進入氣球，測量氣球內的溫度和壓力。該方法避免了水與被測氣體接觸，保證置換法氣體流量裝置內氣體組分與被檢表內流過的組分完全相同。

圖2 改造后的置換法氣體小流量標準裝置

6 結論

濕度較低的氣體進入裝水的密閉容器中，氣體的濕度將很快上升，氣體的組分因此改變，在使用、設計類似于本文置換法氣體小流量裝置時要考慮被測氣體組分變化，如氣體鐘罩反吹收集氣體時，應考慮密封液體蒸發的影響。

［1］陳忠基，赫榮光.空氣濕度對音速文丘利噴嘴測量空氣流量的影響 ［J］.計量技術，1997(10):18－19.

［2］王兆新，李莉芝.流量計量中濕度影響分析 ［J］.自動化儀表，2009，30(9):77－78.

［3］向德華，周艷，李寧.一種置換法氣體小流量標準裝置［J］.計量學報，2012，33(5A):126－129.

［4］王池，王自和，張寶珠，等.流量測量技術全書 ［M］.北京:化學工業出版社，2012:647－653.