恒流裝置校準(zhǔn)活塞氣體流量計的方法研究

潘光玲，雷勵，楊光道，向麗萍，楊詒

（1.中國測試技術(shù)研究院，四川成都 610021；2.中石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川成都 610051）

恒流裝置校準(zhǔn)活塞氣體流量計的方法研究

潘光玲1，雷勵1，楊光道2，向麗萍1，楊詒1

（1.中國測試技術(shù)研究院，四川成都 610021；2.中石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川成都 610051）

針對干活塞氣體流量計連續(xù)測量瞬時流量采用的間斷工作方式會造成較大的流場阻力波動，為消除阻力波動對干活塞氣體流量計準(zhǔn)確校準(zhǔn)的影響，研究兩種恒流法（體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置配合調(diào)壓閥、皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置傳遞恒流泵）的校準(zhǔn)方法，得到滿意的干活塞氣體流量計校準(zhǔn)結(jié)果。恒流泵傳遞比較法把皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和干活塞氣體流量計在量值溯源圖上聯(lián)系起來，是對氣體小流量量值溯源體系的有效補(bǔ)充。

干活塞氣體流量計；瞬時流量；恒流法；校準(zhǔn)方法

0 引言

近年來國內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測中心站和各級計量檢測機(jī)構(gòu)，都陸續(xù)配置了美國BIOS公司生產(chǎn)的流量范圍為10～30 000mL/min的干活塞氣體流量計，作為校準(zhǔn)動態(tài)配氣系統(tǒng)使用的微小氣體流量計的計量標(biāo)準(zhǔn)器。干活塞氣體流量計工作時不需要動力，是被動式的活塞裝置，利用一個旁路閥達(dá)到連續(xù)測量，采用多次測量平均值獲得較高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)流量值，它還克服了皂膜式氣體流量計的缺點，是一個不受水蒸汽影響的體積管氣體流量測量系統(tǒng)。BIOS公司的干活塞氣體流量計通過一臺傳遞恒流泵向美國NIST的氣體流量基準(zhǔn)裝置進(jìn)行量值溯源。

中國測試技術(shù)研究院采用傳遞比較法進(jìn)行流量量值溯源是一種新的嘗試，通過一臺傳遞恒流泵向皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行量值溯源，干活塞氣體流量計的恒流泵傳遞校準(zhǔn)方法成功地完成了小流量量值的溯源，是對我國流量量值溯源體系的補(bǔ)充；由于在1000mL/min以上流量的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置很少采用被動式的工作原理，在1000～30000mL/min范圍內(nèi)一般采用主動活塞式的恒流法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行量值傳遞，在有效消除氣容影響后，使主動活塞式的氣體流量裝置獲得了理想的校準(zhǔn)結(jié)果。

1 干活塞氣體流量計簡介

BIOS公司的干活塞氣體流量計采用溫度膨脹系數(shù)很小的硼硅酸鹽玻璃制作氣缸體，活塞采用石墨材料制作，這兩種材料熱膨脹系數(shù)非常低，且十分相近，同時兩者之間摩擦系數(shù)很低，理想的活塞應(yīng)該是與缸體無摩擦、無泄漏、無形變、無滲透且質(zhì)量為零，石墨活塞配硼硅酸鹽玻璃的氣缸體已接近完美：石墨活塞形狀穩(wěn)定，摩擦力小，幾乎無滲透，同時通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計減小了活塞重量[1]。測量氣體流量的工作原理是：當(dāng)活塞在氣缸體底部時關(guān)閉旁通閥，打開測量閥，接收氣流進(jìn)入氣缸體，活塞上行觸發(fā)流量測量機(jī)構(gòu)完成流量測量；當(dāng)活塞運行到氣缸體上部，快速關(guān)閉測量閥，打開旁通閥，石墨活塞靠自重很快下降復(fù)位，此時氣流通過旁通閥仍然在平穩(wěn)流動；活塞回到氣缸體底部時，又關(guān)閉旁通閥，打開測量閥，流量測量機(jī)構(gòu)將立即復(fù)位進(jìn)行下一次流量測量。

根據(jù)工作原理可以發(fā)現(xiàn)干活塞氣體流量計是一個可以連續(xù)測量瞬時流量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，但是在測量時是間斷工作的，在測量通道和旁通通道之間切換時流動阻力是不一樣的，而普通氣體流量計的結(jié)構(gòu)是固定的，不會在運行中有較大的阻力波動，所以用于普通氣體流量計校準(zhǔn)的恒壓型氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不能用于干活塞氣體流量計的校準(zhǔn)[2-3]。為了準(zhǔn)確地校準(zhǔn)干活塞氣體流量計，研究了兩種恒流法的校準(zhǔn)方案，綜合使用兩臺氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和一臺傳遞恒流泵，實現(xiàn)了對干活塞氣體流量計全流量范圍的校準(zhǔn)。

2標(biāo)準(zhǔn)裝置和校準(zhǔn)方法

選用校準(zhǔn)較大流量的標(biāo)準(zhǔn)裝置是體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，它是一臺主動活塞式的氣體流量裝置，能夠輸出恒定流量，流量穩(wěn)定度0.2%；校準(zhǔn)較小流量的標(biāo)準(zhǔn)裝置是皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，配套的氣源是Airpro6000D恒流泵，可以輸出恒定流量，流量穩(wěn)定度0.2%。標(biāo)準(zhǔn)裝置的性能見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的性能和主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)不同的流量范圍采用了兩種校準(zhǔn)方法，第1種是體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置正壓校準(zhǔn)法，本方法適應(yīng)校準(zhǔn)流量范圍為500～30 000mL/min的干活塞氣體流量計。氣路連接方式如圖1所示，調(diào)壓閥后端連接被校流量計的管線應(yīng)盡可能短，以消除氣容受阻力變化的影響，調(diào)壓閥前端的龐大氣容被調(diào)壓閥的較高阻力隔斷了，從而獲得了穩(wěn)定的恒流氣源[4]，標(biāo)準(zhǔn)流量值由體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置提供。

圖1 氣路連接方式

表2 干活塞流量校準(zhǔn)器流量范圍500～20000mL/min1）

校準(zhǔn)過程：首先在體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)上設(shè)置校準(zhǔn)流量值q，打開體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量開關(guān)并啟動體積管，讓體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在設(shè)定的流量下運行，在運行過程中調(diào)節(jié)調(diào)壓閥的開關(guān)，觀察體積管裝置內(nèi)壓力值，當(dāng)壓力值穩(wěn)定后，記錄被校干活塞氣體流量計連續(xù)運行20次后獲得的平均流量值和體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置實際流量值，體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)自動采集氣體溫度、當(dāng)前大氣壓力、表前壓力和裝置內(nèi)壓力。校準(zhǔn)記錄如表2所示。

體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置受流量控制系統(tǒng)輸出分辨率影響，在較小流量時（低于500mL/min）的調(diào)節(jié)能力下降，較難獲得穩(wěn)定流量。采用的第2種校準(zhǔn)方法是皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和恒流泵傳遞校準(zhǔn)法，在20～500mL/min范圍要想獲得恒流氣源只能采用恒流泵，恒流泵的流量值由皂膜氣體流量裝置標(biāo)定，這種傳遞校準(zhǔn)法適用于校準(zhǔn)流量范圍在20～500mL/min的干活塞氣體流量計。負(fù)壓用皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的出氣口連接恒流泵的吸氣口，測量出一個標(biāo)準(zhǔn)流量值，再把恒流泵的吸氣口連接被校干活塞氣體流量計的出氣口，如圖2所示。

圖2 氣路連接方式

校準(zhǔn)過程：使用0.5級皂膜氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置采用負(fù)壓法標(biāo)定流量穩(wěn)定度優(yōu)于0.2%的恒流泵，每標(biāo)定一個恒流泵流量值，就用標(biāo)定后的恒流泵對被校準(zhǔn)的干活塞氣體流量計進(jìn)行該流量點的校準(zhǔn)。恒流泵連接被校準(zhǔn)的干活塞氣體流量計的管線應(yīng)盡可能短，以消除氣容受阻力變化的影響。由于校準(zhǔn)的流量值很低，干活塞氣體流量計的工作阻力很小，與皂膜相差不大，約50Pa，可以不用壓力補(bǔ)償。負(fù)壓工作的恒流泵吸入的是恒溫實驗室空氣，通過皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和通過干活塞氣體流量計吸入的氣溫相差不大，可以不用溫度補(bǔ)償[5]。標(biāo)準(zhǔn)流量值由皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置提供，記錄皂膜管體積和通過皂膜管體積刻線的時間，計算出標(biāo)準(zhǔn)器實際流量，并記錄被校干活塞氣體流量計的平均顯示流量值，見表3。

上面兩種方法的校準(zhǔn)結(jié)果重復(fù)性都優(yōu)于0.1%，流量修正系數(shù)的測量不確定度在0.3%～0.6%的水平[6-7]，滿足了干活塞氣體流量計的基本計量性能指標(biāo)。對干活塞氣體流量計的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用恒流法流量裝置可以消除流動阻力的對標(biāo)準(zhǔn)流量的影響，體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的氣容被調(diào)壓閥隔斷，它測量的恒定標(biāo)準(zhǔn)流量就不會受干活塞氣體流量計的阻力波動影響，只需要測量標(biāo)準(zhǔn)裝置和被校準(zhǔn)流量計的工作壓力，進(jìn)行氣體狀態(tài)補(bǔ)償就可以獲得流量修正系數(shù)[8]。干活塞氣體流量計其實就是一種微小體積管，只是和傳統(tǒng)體積管的工作方式不同[9]，側(cè)重于瞬時流量的測量，利用旁通閥進(jìn)行連續(xù)流量的測量，這也造成傳統(tǒng)體積管校準(zhǔn)方法不適用于干活塞氣體流量計[9]。采用恒流泵傳遞法校準(zhǔn)可以適用于較寬的流量范圍，是校準(zhǔn)干活塞氣體流量計的最理想方法，因皂膜流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量范圍較小，流量太大皂膜易變形，能給出較大的恒流泵標(biāo)定值[10]，也就是皂膜流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量范圍比干活塞氣體流量計小，不能覆蓋全部流量范圍。所以采用體積管和恒流泵相結(jié)合的方法實現(xiàn)了對干活塞流量計的校準(zhǔn)。

表3 干活塞流量校準(zhǔn)器流量范圍20～500m L/min1）

3 結(jié)束語

干活塞氣體流量計的流量范圍很寬，很難選擇一種氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置完成校準(zhǔn)工作，由于干活塞氣體流量計是間歇式工作，流動阻力周期性變化，采用體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置配合調(diào)壓閥測量較大流量，同時采用皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置傳遞恒流泵測量較小流量的方法，彌補(bǔ)了單一方法不能校準(zhǔn)干活塞氣體流量計全流量范圍的缺陷。兩種方法獲得的恒流氣源在校準(zhǔn)干活塞氣體流量計時，有一部分流量范圍是重疊的，也通過在重疊區(qū)域的校準(zhǔn)工作比對了兩套裝置的量值，獲得理想的結(jié)果。

干活塞氣體流量計作為便攜式動態(tài)流量校準(zhǔn)器，對多種低壓氣體流量計可以進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)，推廣使用，又可以豐富我國氣體流量量值溯源體系，研究恒流法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置來校準(zhǔn)干活塞氣體流量計是完善量值溯源鏈的必要條件和技術(shù)保證。

[1]張永勝，劉彥軍.干活塞氣體流量校準(zhǔn)裝置數(shù)值模擬[J].計測技術(shù)，2012（1）：22-25.

[2]雷勵，張瑤.氣體轉(zhuǎn)子流量計的刻度與換算[J].中國測試技術(shù)，2005（5）：34-36.

[3]王桂娜，蘇小光.微小氣體流量檢測技術(shù)的研究[J].中國測試技術(shù)，2006（6）：52-54.

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[8]JJG 663—2005氣體容積式流量計檢定規(guī)程[S].北京：中國計量出版社，2005.

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[10]JJG 586—2006皂膜流量計檢定規(guī)程[S].北京：中國計量出版社，2006.

Study on calibrating piston type gas flowmeters w ith constant current equipment

PAN Guang-ling1，LEI Li1，YANG Guang-dao2，XIANG Li-ping1，YANG Yi1
（1.National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China；
2.ChuanxiDrilling Company，CNPCChuanqing Drilling Engineering Company Limited，Chengdu 610051，China）

The lager resistance fluctuation would occur when the piston type gas flowmeter continuously measured the instantaneous flow rage by the discontinuous working mode.To avoid the influence of resistance fluctuation on the calibration of the piston type gas flowmeter，two calibration methods of constant current are researched，and the better calibration results of piston type gas flowmeter were achieved.The constant flow pump transmission comparison method makes the soap film gas flow standard facility be linked with the piston type gas flowmeter in mtrological traceability figure，and the calibration method is a supplemnt to the value traceability system of small gas flow.

piston type gas flowmeter；instantaneous flow rate；constant current；calibration method

TH814；TM930.12；P207+.1；P416.6

A

1674-5124（2013）03-0020-04

2012-10-12；

：2012-12-24

潘光玲（1964-），女，四川成都市人，工程師，主要從事流量計量工作。