可調(diào)壓氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究

安海驕，趙 軼，王錫鋼，于勁竹，叢松霞

（1.天津市計(jì)量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津300192；2.威海市計(jì)量所，威海264200）

隨著工業(yè)、醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展，氣體流量計(jì)的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)其計(jì)量的要求也越來越迫切。一些流量儀表對(duì)試驗(yàn)氣路壓力有特定要求，如有的轉(zhuǎn)子流量計(jì)標(biāo)稱工作壓力會(huì)達(dá)到0.35 MPa，定流量發(fā)生器 （一種用于高壓微小氣體流量測量的流量計(jì)）在使用時(shí)前端給定壓力較高，約在5～800 kPa 之間，孔口流量計(jì)[1]和部分定量發(fā)生器，需要在負(fù)壓條件下工作，所需壓力約-50～-5 kPa。然而，天津市計(jì)量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院所使用的鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，由于試驗(yàn)壓力上限低，而無法測量上述流量計(jì)。故在此致力于研制一種可調(diào)壓氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，通過與現(xiàn)有鐘罩或皂膜流量計(jì)相配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作壓力較大的正壓流量儀表或負(fù)壓流量儀表的檢測。

該裝置不僅可以提供穩(wěn)定、 可調(diào)的氣源壓力，準(zhǔn)確度等級(jí)較高，而且制造成本低廉，靈活性強(qiáng)，適應(yīng)多種類型的流量計(jì)。

1 裝置的結(jié)構(gòu)及組成

天津市計(jì)量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院現(xiàn)有的鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，具有內(nèi)壓穩(wěn)定、準(zhǔn)確度等級(jí)高的優(yōu)點(diǎn)，但由于其按照排氣法使用，裝置試驗(yàn)管路壓力受鐘罩內(nèi)壓限制，最高不超過2.5 kPa，對(duì)此文中考慮采用進(jìn)氣法使用鐘罩以提高介質(zhì)壓力[2]。天津市計(jì)量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院另有一套皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，準(zhǔn)確度等級(jí)在0.5 級(jí)～1.0 級(jí)，需要配合壓力穩(wěn)定的氣源使用，筆者曾采用鐘罩作為氣源輸出，也無法測量高壓氣體流量儀表。

為使裝置能夠兼容不同的主標(biāo)準(zhǔn)器，且在正、負(fù)壓2 種工況下運(yùn)行，在此采用了模塊化設(shè)計(jì)的思路。裝置由空壓機(jī)、穩(wěn)壓容器、供氣模塊、溫壓測量模塊、流量調(diào)節(jié)模塊等部分組成。3 種不同結(jié)構(gòu)形式的裝置如圖1～圖3所示，工況壓力不同或使用不同主標(biāo)準(zhǔn)器時(shí)，裝置的結(jié)構(gòu)也有所區(qū)別，其模塊化設(shè)計(jì)滿足各種試驗(yàn)系統(tǒng)的要求，各模塊之間用軟管連接，靈活性強(qiáng)。

圖1 使用鐘罩作為標(biāo)準(zhǔn)器的正壓流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of standard bell prover of gas flow under positive medium pressure

圖2 使用皂膜流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器的正壓流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of standard facility using soap film flow meter under positive medium pressure

圖3 使用皂膜流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器的負(fù)壓流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of standard facility using soap film flow meter under negative medium pressure

1.1 供氣模塊

壓力可調(diào)的供氣模塊是裝置的主要組成部分之一。該模塊應(yīng)保證裝置運(yùn)行安全，提供潔凈的氣源，且壓力穩(wěn)定。為了方便使用、節(jié)約空間，考慮將供氣模塊制作成一套集成設(shè)備。

供氣模塊的氣源由實(shí)驗(yàn)室原有的空氣壓縮機(jī)提供，其輸出氣體壓力上限為700 kPa。為了盡可能擴(kuò)大氣源壓力的調(diào)節(jié)范圍，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為分級(jí)減壓的結(jié)構(gòu)， 每個(gè)氣源出口輸出不同壓力范圍的氣體。根據(jù)這一思路所設(shè)計(jì)的供氣模塊如圖4所示。

圖4 供氣模塊原理Fig.4 Schematic for gas supply module

圖中， 氣路主要由5 個(gè)調(diào)壓閥、3 個(gè)過濾器、3個(gè)指針壓力表、1 個(gè)負(fù)壓發(fā)生器及若干個(gè)球閥構(gòu)成，所有部件的承壓能力均≮1 MPa。氣源進(jìn)入設(shè)備后經(jīng)過濾器和0～700 kPa 減壓閥后分為3 路：①直接接入0～700 kPa 氣源出口；②連接真空發(fā)生器，后者用于產(chǎn)生-100～0 kPa 的負(fù)壓氣源； ③進(jìn)入0～200 kPa調(diào)壓閥，以備下一級(jí)減壓使用。0～200 kPa 調(diào)壓閥后再分為3 路：①通過0～10 kPa 調(diào)壓閥后連接氣源出口；②通過0～50 kPa 調(diào)壓閥后連接氣源出口；③直接接入氣源出口。通過選擇球閥的通斷，選通不同氣路，最終對(duì)應(yīng)5 個(gè)不同壓力輸出范圍氣源接口。

1.2 溫壓測量模塊

溫壓測量模塊用于測量標(biāo)準(zhǔn)器或被檢表處的介質(zhì)溫度和壓力，用于溫壓補(bǔ)償計(jì)算。在此，將該模塊設(shè)計(jì)為一個(gè)容積約2 L 兩端帶球冠的圓柱形密封腔體，腔體兩端分別設(shè)置進(jìn)、出口，把最大允許誤差為0.075%的壓力變送器和最大允許誤差為±0.1 ℃的一體化溫度變送器插入腔體內(nèi)。由于溫壓測量模塊一般設(shè)置在標(biāo)準(zhǔn)器或被檢表前端，因此，腔體能起到一定的穩(wěn)壓作用，且可避免溫度、壓力波動(dòng)造成的測量結(jié)果跳變劇烈的問題。

1.3 流量調(diào)節(jié)模塊

由于系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)范圍較大，流量調(diào)節(jié)模塊由一組并聯(lián)的流量調(diào)節(jié)閥組成，包括DN15 和DN10的球閥、DN6 和DN3 的針閥各1 個(gè)。對(duì)于流量較大的工況，使用球閥調(diào)節(jié)；對(duì)于測量流量較小儀器使用針型閥調(diào)節(jié)流量。

2 流量量值的計(jì)算

在使用可調(diào)壓氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測量流量儀表的過程中，需根據(jù)儀表類型、測量方法等因素，計(jì)算相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)流量量值，采用不同標(biāo)準(zhǔn)器時(shí)，其計(jì)算方法也有所差異。

2.1 采用鐘罩作為標(biāo)準(zhǔn)器

在檢定條件下，鐘罩的容積Vs為[3]

式中：VN為鐘罩的標(biāo)準(zhǔn)容積；αb為鐘罩材料的線脹系數(shù)；αsc為標(biāo)尺的線脹系數(shù)；t 為檢定時(shí)的溫度。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，流經(jīng)被檢流量計(jì)的氣體體積Vm為

式中：ρs，ρm分別為鐘罩內(nèi)和被檢流量計(jì)處的氣體密度；ps，pm分別為鐘罩內(nèi)和流量計(jì)處氣體絕對(duì)壓力；Ts，Tm分別為鐘罩內(nèi)和 流量計(jì)處熱力學(xué)溫度；Zs，Zm分別為鐘罩和流量計(jì)狀態(tài)下的壓縮系數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流經(jīng)被檢流量計(jì)的氣體體積Vm，N為

式中：pN為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)壓力，即pN=101325 Pa；TN標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)熱力學(xué)溫度，即TN=293.15 K。

流經(jīng)被檢流量計(jì)的氣體質(zhì)量mm為

此外，將式（2）～式（4）所示的累積流量值除以試驗(yàn)時(shí)間即可得到相應(yīng)的瞬時(shí)流量量值。

2.2 采用皂膜流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器

流經(jīng)被檢流量計(jì)的干氣體與皂液接觸后變成飽和濕氣體。由于皂膜管內(nèi)的總壓力為大氣壓力，所以通過皂膜管時(shí)，干氣體的分壓力ps為

式中：ps為皂膜管處干氣體絕對(duì)壓力；pa為大氣壓力；psθ為試驗(yàn)過程中氣體溫度θ 下的飽和蒸汽壓。

皂膜管兩刻線間的容積為

式中：Vs為皂膜管在溫度θ 下的容積；VN為皂膜管在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的容積；α 為皂膜管的線脹系數(shù)；θ 為試驗(yàn)時(shí)皂膜管的壁溫。

裝置流經(jīng)被檢流量計(jì)的氣體體積、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積和氣體質(zhì)量與式（2）～式（4）類似，不再贅述。

3 試驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步驗(yàn)證裝置的有效性，選取1 臺(tái)轉(zhuǎn)子流量計(jì)（刻度壓力為101325 Pa，刻度溫度為20 ℃）進(jìn)行試驗(yàn)，主標(biāo)準(zhǔn)器選擇200 L 的鐘罩，分別采用傳統(tǒng)排氣法鐘罩流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和文中所提可調(diào)壓氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的圖1所示結(jié)構(gòu)測量被檢儀表的示值誤差，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1和表2。

由于鐘罩內(nèi)壓在1300 Pa 左右，采用排氣法時(shí)無法測量160 mL/s 以上的流量點(diǎn)。相反，采用文中所提可調(diào)壓氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，可以有效地調(diào)節(jié)輸出壓力，并將轉(zhuǎn)子流量計(jì)的進(jìn)口壓力提升至16 kPa 以上，進(jìn)而測量其全量程范圍。此外，比較表1和表2中160 mL/s 流量點(diǎn)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，被測儀表的示值誤差未發(fā)生明顯變化，表明新裝置的流量量值準(zhǔn)確，且采用的方法不會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

表1 傳統(tǒng)排氣法鐘罩流量標(biāo)準(zhǔn)裝置試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experiment result using traditional standard bell prover of gas flow

表2 可調(diào)壓氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experiment result using gas flowrate standard facility with adjustable medium pressure

4 結(jié)語

文中所提可調(diào)壓氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，可測量工作壓力較大的正壓或負(fù)壓小流量儀表，模塊化的設(shè)計(jì)思路使裝置的結(jié)構(gòu)更加靈活，且能兼容不同的主標(biāo)準(zhǔn)器。通過對(duì)各個(gè)模塊的最優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了輸出壓力、流量可調(diào)、溫壓測量等功能；研究了裝置在不同工況下的流量標(biāo)準(zhǔn)量值的計(jì)算方法；通過試驗(yàn)驗(yàn)證了裝置的有效性和準(zhǔn)確性。