置換法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究

王銳剛，趙金燕，胡 波，黃 勇

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院 云南 昆明 650228）

氣體流量計(jì)量廣泛用于貿(mào)易結(jié)算、能源計(jì)量、過(guò)程控制、環(huán)境保護(hù)等方面。而氣體流量計(jì)流量的溯源核心就是氣體流量標(biāo)準(zhǔn)[1]。特別是近年來(lái)能源資源的全球匱乏，全社會(huì)對(duì)流量計(jì)量的要求越來(lái)越高，氣體流量標(biāo)準(zhǔn)的研究對(duì)建立資源節(jié)約型社會(huì)和節(jié)能型工業(yè)具有十分重要的意義。

我國(guó)的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)研究水平和發(fā)達(dá)國(guó)家相比相對(duì)落后，常用的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)為0.5級(jí)鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)和0.5級(jí)皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于大量作為標(biāo)準(zhǔn)使用的0.2級(jí)、0.5級(jí)氣體流量計(jì)無(wú)法校準(zhǔn)。如何有效校準(zhǔn)高精度氣體流量的標(biāo)準(zhǔn)研究迫在眉睫。

1 國(guó)內(nèi)外同類研究現(xiàn)狀分析及存在的問(wèn)題

目前我國(guó)國(guó)內(nèi)準(zhǔn)確度等級(jí)最高的氣體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院的200 L活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，準(zhǔn)確度0.05級(jí)，流量測(cè)量范圍(0.01～6)m3/h，該裝置于90年代從日本進(jìn)口，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械加工精度要求高，價(jià)格昂貴，限制了該標(biāo)準(zhǔn)的大量生產(chǎn)，使得這種計(jì)量方法無(wú)法廣泛使用[2]，目前國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)、計(jì)量部門大量使用氣體流量標(biāo)準(zhǔn)為0.5級(jí)鐘罩氣體流量標(biāo)準(zhǔn)和0.5級(jí)皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)，氣體流量的標(biāo)準(zhǔn)總體水平較低[3]。據(jù)國(guó)外相關(guān)資料報(bào)道，荷蘭計(jì)量技術(shù)研究院建立了低壓動(dòng)態(tài)置換氣體原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置的荷蘭國(guó)家基準(zhǔn)，由500 L鐘罩提供（1～4）m3/h的流量。

我國(guó)尚未開展用液體置換法的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)的研究。目前采用的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)于小流量氣體計(jì)量準(zhǔn)確度低，并且校準(zhǔn)費(fèi)用大，對(duì)高精度的氣體流量計(jì)無(wú)法校準(zhǔn)。

基于目前氣體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置存在的問(wèn)題，建立置換法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，滿足社會(huì)提高氣體流量精密檢測(cè)技術(shù)的要求，為企業(yè)節(jié)能降耗提供手段，具有十分重要的意義。

2 液體置換法氣體流量裝置的設(shè)計(jì)

2.1 置換法的設(shè)計(jì)理論依據(jù)

根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，當(dāng)普通流體不可壓縮，密度為常數(shù)，且流動(dòng)是恒定的時(shí)候，可視為理想流體看待。而理想流體流動(dòng)時(shí)流過(guò)任意不同截面時(shí)滿足質(zhì)量守恒和機(jī)械能守恒定律，即滿足流體力學(xué)的連續(xù)性方程和伯努利方程。

實(shí)際流體具有粘性，在流動(dòng)過(guò)程中要克服流體與管壁以及流體內(nèi)部的相互摩擦阻力而作功，這將使流體的一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散[4]。因此，實(shí)際流體的伯努利方程可寫為：

hwg—截面Ⅰ和截面Ⅱ之間單位質(zhì)量實(shí)際流體流動(dòng)產(chǎn)生的能量損失。

2.2 置換法的設(shè)計(jì)原理

圖1為圓柱形帶外伸管嘴容器，管嘴長(zhǎng)L＝（3～4）d，d為管嘴直徑，列出液面1-1至出口斷面2-2的伯努利方程

圖1 置換法的設(shè)計(jì)理論圖Fig. 1 The design theory of replacement method

能頭損失hr由1-1至c-c面之間局部收縮損失，c-c斷面后的局部突然擴(kuò)大損失和管嘴的沿程能頭損失組成：

公式中CV短管流速系數(shù)；取C=CV，C稱為短管流量系數(shù)

取各系數(shù)值[5]代入公式（3）計(jì)算短管流量系數(shù),結(jié)果為C=0.82。

根據(jù)連續(xù)方程

從公式（4）推導(dǎo)可知只要測(cè)出流出容器的液體體積就可知道流過(guò)的氣體體積,根據(jù)以上理論設(shè)計(jì)出了置換法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

2.3 置換法的工作原理

置換法氣體流量校準(zhǔn)是將被校流量計(jì)、密封標(biāo)準(zhǔn)容器和標(biāo)準(zhǔn)容器用管路連接起來(lái)，液體以一定流量流入標(biāo)準(zhǔn)量器，測(cè)出流入標(biāo)準(zhǔn)容器的液體流量，并與被校流量計(jì)的示值進(jìn)行比較，從而檢測(cè)被測(cè)的氣體流量計(jì)。下面以圖2所示來(lái)說(shuō)明校準(zhǔn)過(guò)程。

圖2 置換法的工作原理圖Fig. 2 The schematic diagram of replacement method

首先關(guān)閉閥4和閥5，打開閥1和閥2，用水泵將標(biāo)準(zhǔn)密封容器裝滿水，關(guān)閉閥1和閥2，打開閥3，根據(jù)被校流量范圍分別選用小流量調(diào)節(jié)閥4或大流量調(diào)節(jié)閥5、閥6調(diào)到流量檢定點(diǎn)，開始計(jì)時(shí),這時(shí)標(biāo)準(zhǔn)密封容器的水流入標(biāo)準(zhǔn)量器,同時(shí)分別記錄被校流量計(jì)前和密封容器內(nèi)的溫度、濕度和壓力，當(dāng)水可以從標(biāo)準(zhǔn)量器液位讀出時(shí)，記錄時(shí)間t和標(biāo)準(zhǔn)體積Vs，由于是校準(zhǔn)氣體流量計(jì)，必須對(duì)流動(dòng)氣體的溫度、壓力、濕度加以修正，被校流量計(jì)為轉(zhuǎn)子流量計(jì)[6]根據(jù)下式計(jì)算出通過(guò)被校氣體流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)刻度流量qSN。

式中Vs——流入標(biāo)準(zhǔn)量器的液體體積；

t——液體流入標(biāo)準(zhǔn)量器的時(shí)間；

PN、Ps、Pm——分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下、標(biāo)準(zhǔn)密封容器內(nèi)和流量計(jì)前的氣體絕對(duì)壓力；PN=101325 Pa 。

TN、Ts、Tm——分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下、密封容器內(nèi)和流量計(jì)前的氣體熱力學(xué)溫度；TN=293.15 K 。

表1 標(biāo)準(zhǔn)金屬量器不確定度分析Tab.1 The uncertainty analysis of standard metal container

分析檢定結(jié)果表明：置換法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度為U=0.09%（k=2），達(dá)到本課題設(shè)計(jì)U=0.15%（k=2）的要求。

PDs、PDm——分別為標(biāo)準(zhǔn)密封容器內(nèi)和流量計(jì)前水蒸氣壓力。

被校流量計(jì)為其他氣體流量計(jì)根據(jù)下式計(jì)算出通過(guò)被校氣體流量計(jì)的實(shí)際流量qs。

2.4 氣體流量裝置的樣機(jī)

圖3 裝置樣機(jī)圖Fig. 3 The equipment prototype figure

裝置的樣機(jī)如圖3所示。管路設(shè)計(jì)參數(shù)分別是：管內(nèi)徑d=0.032 m，管道長(zhǎng)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(zhì)，絕對(duì)粗糙度K=0.02 mm。

2.5 檢定結(jié)果分析

測(cè)量不確定度是評(píng)定測(cè)量質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，也是評(píng)定測(cè)量設(shè)備能力的基本指標(biāo)[7]。根據(jù)JJF1059-1999[8]及自行設(shè)計(jì)的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置樣機(jī)的實(shí)際情況進(jìn)行分析。

檢定方法：采用靜態(tài)容積法，選用標(biāo)準(zhǔn)金屬量器。檢定時(shí)，注入水至氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)的上液位并讀數(shù)，再放水至標(biāo)準(zhǔn)量器或稱重容器，讀取氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置的下液位讀數(shù)，通過(guò)讀取標(biāo)準(zhǔn)量器或衡器的示值和水的密度值，并進(jìn)行溫度修正，即可得到上下液位之間標(biāo)準(zhǔn)密封容器的容積值。標(biāo)準(zhǔn)金屬量器不確定度分析如表1所示。

建立數(shù)學(xué)模型：考慮溫度的影響，則有：

上式中：VS——標(biāo)準(zhǔn)量器20℃時(shí)標(biāo)稱容量刻度線處的實(shí)際容量值，L；

V20——被檢裝置液位高差△ 對(duì)應(yīng)的20℃容量值，L；

I——被檢裝置分度容積值；mL/mm；

Δh——被檢液位高差，mm；

βs——標(biāo)準(zhǔn)量器的體脹系數(shù)；℃-1

βm——被檢量器的體脹系數(shù)；℃-1

βw——水的體脹系數(shù)；℃-1

θs——標(biāo)準(zhǔn)量器的水溫；℃

θm——被檢量器的水溫，℃

3 結(jié)束語(yǔ)

置換法氣體流量裝置具有操作方便、穩(wěn)定性高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，用置換方法標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)流量計(jì)，符合國(guó)家量傳系統(tǒng)表中流量計(jì)的溯源。置換法氣體流量裝置校準(zhǔn)1 L/min以下小流量氣體流量計(jì)采用的是高液位負(fù)壓法，由于流量計(jì)前為大氣，液體流出時(shí)有小口徑短管控制，無(wú)需加泵靠液體自流就可達(dá)到恒壓，計(jì)算和操作相對(duì)簡(jiǎn)單。置換法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)較大流量時(shí)采用泵產(chǎn)生恒定流量，從而達(dá)到恒壓，使流量點(diǎn)的調(diào)節(jié)易于控制。置換法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在流量量傳體系中將起到重要作用，特別是在高準(zhǔn)確度小流量測(cè)量方面具有優(yōu)勢(shì)。

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