皂膜流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)容積標(biāo)定方法的探討*

蔡　勤　黃湘來　劉敦利

(新疆計(jì)量測試研究院，烏魯木齊 830011)

0　引言

皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的測量原理是由穩(wěn)定氣源流出的氣體經(jīng)過被檢流量計(jì)進(jìn)入皂膜流量計(jì)，然后擠壓膠球產(chǎn)生皂膜，用秒表測量皂膜經(jīng)過兩刻線之間的時(shí)間，從而計(jì)算出氣體的瞬時(shí)流量。因此，瞬時(shí)流量的準(zhǔn)確計(jì)量來源于皂膜流量計(jì)兩刻線之間的容積和測量時(shí)間兩個(gè)因素。

現(xiàn)在普遍應(yīng)用的光電檢測技術(shù)取代了傳統(tǒng)的秒表計(jì)時(shí)方法[1]。在皂膜流量計(jì)的零刻度和滿量程刻度位置分別安裝一對(duì)光纖傳感器，在正常工作時(shí)每對(duì)光纖傳感器發(fā)送和接收微弱光信號(hào)，當(dāng)皂膜通過傳感器時(shí)，光信號(hào)突變加強(qiáng)，電腦系統(tǒng)軟件感應(yīng)到這一信號(hào)突變開始計(jì)時(shí)或者停止計(jì)時(shí)，從而準(zhǔn)確計(jì)算出皂膜通過時(shí)間，準(zhǔn)確度達(dá)到10-6s數(shù)量級(jí)，誤差幾乎可以忽略不計(jì)。由此，皂膜流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)容積的示值誤差決定了衡量皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置準(zhǔn)確度等級(jí)[2-4]。

JJG 586—2006《皂膜流量計(jì)》檢定規(guī)程中規(guī)定的方法是采用天平稱量皂膜流量計(jì)刻度線內(nèi)蒸餾水的質(zhì)量，從而計(jì)算出容積的示值誤差[5]。這其中影響誤差的因素有：蒸餾水溫度變化、蒸餾水蒸發(fā)量、環(huán)境溫度、天平的準(zhǔn)確度等級(jí)、容器自身重量等，對(duì)于大量程的皂膜流量計(jì)可以忽略，但是對(duì)于10～100mL小量程的皂膜流量計(jì)卻影響很大，不能忽略，甚至決定了皂膜流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)容積標(biāo)定的準(zhǔn)確度。因此，如何避免或盡量消除上述因素對(duì)標(biāo)定結(jié)果的影響，準(zhǔn)確標(biāo)定出皂膜流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)容積成為一個(gè)重要研究內(nèi)容[6-8]。

本文嘗試采用三種不同的實(shí)驗(yàn)方法，即分別采用敞口玻璃燒杯、輕質(zhì)礦泉水瓶、密封的輕質(zhì)塑料杯作為稱量容器，對(duì)同一個(gè)皂膜流量計(jì)進(jìn)行容積標(biāo)定，計(jì)算示值誤差和重復(fù)性，以此探討和分析標(biāo)定結(jié)果[9]。

1　實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)依據(jù)檢定規(guī)程，采用質(zhì)量稱重法標(biāo)定，即首先將皂膜流量計(jì)注滿標(biāo)準(zhǔn)容積值的蒸餾水，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使蒸餾水流入容器，用天平稱量容器中蒸餾水的質(zhì)量，進(jìn)而計(jì)算出蒸餾水的體積、容積誤差、重復(fù)性等數(shù)據(jù)，以此確定皂膜流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)[5]。被標(biāo)定皂膜流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)容積是25mL，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)。標(biāo)定采用的主標(biāo)準(zhǔn)器為電子天平，準(zhǔn)確度等級(jí)為Ⅰ級(jí)，測量范圍0.1～500g，分度值0.1mg，在0.1～50g范圍內(nèi)，最大稱量誤差±0.5mg；在50～100g范圍內(nèi)，最大稱量誤差±1.0mg，屬于目前最高等級(jí)的天平，完全滿足標(biāo)定要求。

由于影響蒸餾水質(zhì)量的關(guān)鍵因素在于容器，所以選擇三種不同的容器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為100mL敞口玻璃燒杯、50mL切割后輕質(zhì)礦泉水瓶和25mL密封的輕質(zhì)塑料杯。為得到充分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每種方法均在重復(fù)性條件下標(biāo)定6次。

2　實(shí)驗(yàn)過程

2.1　玻璃燒杯實(shí)驗(yàn)

采用100mL玻璃燒杯作為稱量容器，自身重量約52g，實(shí)驗(yàn)過程中蒸餾水平均溫度23.5℃，密度取0.9974215g/cm3。一次實(shí)驗(yàn)中從開始到完成水溫變化0.4℃，滿足檢定規(guī)程中小于0.5℃的要求。實(shí)驗(yàn)得到的6次標(biāo)定數(shù)據(jù)見表1。

表1　采用玻璃燒杯作容器的標(biāo)定結(jié)果

2.2　礦泉水瓶實(shí)驗(yàn)

為了盡量消除玻璃杯敞口和較重的影響因素，實(shí)驗(yàn)采用切割過的輕質(zhì)礦泉水瓶作為稱量容器，有效容積約50mL，敞口面積約為燒杯的一半，自身重量約3g。實(shí)驗(yàn)過程中蒸餾水平均溫度23.4℃，密度取0.9974456g/cm3，溫度變化0.3℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　采用礦泉水瓶作容器的標(biāo)定結(jié)果

2.3　塑料杯實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步消除蒸餾水蒸發(fā)和溫度變化對(duì)標(biāo)定結(jié)果的影響，采用25mL密封的輕質(zhì)塑料杯作為稱量容積，自身重量約11g。實(shí)驗(yàn)過程中蒸餾水平均溫度23.3℃，密度取0.9974697g/cm3，溫度變化0.1℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3　采用塑料杯作容器的標(biāo)定結(jié)果

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于皂膜流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)，最大允許誤差±5%，重復(fù)性小于0.25%。所以，第一種采用敞口燒杯作稱量容器的實(shí)驗(yàn)方法得到的示值誤差和重復(fù)性分別為-0.63%和0.33%，均滿足不了要求，標(biāo)定不合格。第二種采用礦泉水瓶作稱量容器的實(shí)驗(yàn)方法得到的示值誤差和重復(fù)性分別為-0.48%和0.27%，示值誤差滿足要求，重復(fù)性略大，但還是滿足不了要求，標(biāo)定不合格。第三種采用密封的輕質(zhì)塑料杯作稱量容器的實(shí)驗(yàn)方法得到的示值誤差和重復(fù)性分別為-0.19%和0.08%，均滿足要求，標(biāo)定合格。

對(duì)比三種實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，第三種標(biāo)定方法得到的示值誤差為另外兩種方法標(biāo)定結(jié)果的1/3和1/2，重復(fù)性是另外兩種方法的1/4和1/3，充分說明了采用密封的輕質(zhì)塑料杯是理想的稱量容器，對(duì)皂膜流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)容積的準(zhǔn)確標(biāo)定起到重要的作用。

4　結(jié)論與討論

第一種方法中，玻璃燒杯開口較大，會(huì)造成蒸餾水在實(shí)驗(yàn)過程中蒸發(fā)和溫度變化，影響標(biāo)定結(jié)果；同時(shí)，玻璃材質(zhì)傳熱快，使得蒸餾水容易受外界溫度影響；玻璃燒杯自身重量超過50g，導(dǎo)致稱量結(jié)果誤差增大。第二種方法中，輕質(zhì)礦泉水瓶敞口較小，減少了實(shí)驗(yàn)過程中蒸餾水的蒸發(fā)量和溫度變化，且自身重量小，不影響稱量結(jié)果誤差。但塑料材質(zhì)較差，瓶壁薄，使得蒸餾水更容易受外界溫度影響。第三種方法中，塑料杯密封，避免蒸餾水蒸發(fā)，塑料材質(zhì)好，避免外界溫度對(duì)蒸餾水的影響，保證蒸餾水溫度恒定，且自身重量輕，不影響稱量誤差，得到了較為理想的結(jié)果，達(dá)到了研究的目的。

皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在檢校小流量氣體流量儀表中發(fā)揮重要的作用，是量值傳遞和溯源的重要環(huán)節(jié)。影響皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置準(zhǔn)確度等級(jí)的因素有皂膜流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)容積和時(shí)間兩個(gè)方面，時(shí)間計(jì)量采用新的計(jì)時(shí)器方式，準(zhǔn)確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于要求，所以只能盡可能提高皂膜流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)容積的準(zhǔn)確度。本文分別采用敞口玻璃燒杯、輕質(zhì)礦泉水瓶和密封的輕質(zhì)塑料杯作為稱量容器進(jìn)行同一個(gè)皂膜流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)容積標(biāo)定，得到了不同的標(biāo)定結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，容器的敞口程度、自身重量、材質(zhì)和壁厚等因素影響了標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確度，從這些角度出發(fā)，采用密封的、塑料材質(zhì)的、輕質(zhì)的容器能夠有效避免以上影響因素，從而取得理想的標(biāo)定結(jié)果。

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