濕度變化對(duì)置換法氣體小流量裝置影響的研究

向德華

(湖南省計(jì)量檢測(cè)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410011)

0 引言

空氣的物理化學(xué)性能相對(duì)穩(wěn)定，經(jīng)常用作檢測(cè)流量?jī)x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(cè)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(biāo)準(zhǔn)密度等理化指標(biāo)基本是常數(shù)，設(shè)計(jì)流量?jī)x表、裝置可以通過(guò)文獻(xiàn)獲得，但實(shí)際使用時(shí)大部分介質(zhì)是濕氣體，如空氣濕度對(duì)音速文丘里噴嘴測(cè)量空氣流量的影響，當(dāng)空氣濕度為50%RH，溫度為20℃時(shí)，濕度對(duì)流量測(cè)量的影響約為0.24%［1］;用節(jié)流裝置測(cè)量濕人工煤氣時(shí)，濕度對(duì)流量測(cè)量也有較大影響，當(dāng)濕度為80%RH，溫度為50℃時(shí)，其影響達(dá)到11.4%［2］。另一方面，在檢定流量計(jì)時(shí)，被測(cè)氣體在被測(cè)流量?jī)x表和標(biāo)準(zhǔn)裝置兩個(gè)位置的濕度不同也會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，使用氣體置換水的氣體流量裝置檢測(cè)氣體流量?jī)x表時(shí)就必須考慮測(cè)量過(guò)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(biāo)準(zhǔn)裝置

如圖1所示，一定壓力的空氣通過(guò)質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)需要的流量，再經(jīng)被檢表后流入裝滿水的儲(chǔ)水容器中，水受到氣體的擠壓進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)量器，進(jìn)入容器中氣體體積等于標(biāo)準(zhǔn)量器中水的體積增加值。根據(jù)類似于PVTt裝置的原理［4］，即在某時(shí)間間隔 t內(nèi)氣體流入特定儲(chǔ)水容器的體積為V，測(cè)量容器內(nèi)氣體絕對(duì)壓力P和熱力學(xué)溫度T，用氣體狀態(tài)方程計(jì)算出氣體質(zhì)量。流經(jīng)被檢儀表的氣體質(zhì)量等于儲(chǔ)水容器的氣體質(zhì)量增加量，因此，可以計(jì)算出被檢表示值誤差。

2 計(jì)算公式

氣體質(zhì)量流量公式為

式中:qm為質(zhì)量流量;V1為開(kāi)始檢測(cè)前，儲(chǔ)水容器及被檢表后管道閥門(mén)的氣體空間體積，m3;V2為氣體排出水的體積，m3;t為測(cè)量時(shí)間，s;P1，P2分別為測(cè)量開(kāi)始前、后空氣的絕對(duì)壓力，Pa;T1，T2分別為測(cè)量開(kāi)始前后空氣的熱力學(xué)溫度，K;Z為空氣壓縮系數(shù);R為氣體常數(shù);R=8.3144;M為空氣分子量。

3 氣體濕度變化實(shí)驗(yàn)

3.1 壓縮空氣

壓縮空氣壓力0.4 MPa，在100.23 kPa，24.8℃時(shí)濕度為30.50%RH。選10 L量器，不同流量做實(shí)驗(yàn)，觀察當(dāng)流量為1，2，6，10，16 L/min(0℃，1 atm為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))時(shí)，流入儲(chǔ)水容器 (體積約10 L)氣體濕度的變化。濕度測(cè)量選用0.2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濕度傳感器，向儲(chǔ)水容器充氣達(dá)到預(yù)定液位后，停止充氣，立即把進(jìn)入儲(chǔ)水容器的空氣放出，裝入一個(gè)密封內(nèi)置濕度傳感器的塑料袋中，濕度示值穩(wěn)定后，讀出濕度值和溫度值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同流量?jī)?chǔ)水容器內(nèi)空氣的濕度變化

通過(guò)表1可以看出:環(huán)境溫度26.2℃，大氣壓100.23 kPa時(shí)，空氣 (相對(duì)濕度30.50%RH)以16 L/min的流量進(jìn)入裝滿水的容器中，當(dāng)氣體體積達(dá)到10 L，約37.5 s(加上操作時(shí)間，實(shí)際停留時(shí)間約1 min)后，空氣的相對(duì)濕度變?yōu)?0.05%RH(25.21℃);當(dāng)流量為1 L/min時(shí)，氣體體積達(dá)到10 L，約10 min后，空氣的相對(duì)濕度為81.49%RH(25.41℃)。水的蒸發(fā)速度非?？欤?6℃時(shí)1 min內(nèi)氣體的相對(duì)濕度從30.50%RH上升到80.05%RH，延長(zhǎng)到10 min，濕度變化約2%RH。

3.2 高純氮?dú)?/h3>

用高純氮?dú)獯鎵嚎s空氣重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同流量?jī)?chǔ)水容器內(nèi)氮?dú)獾臐穸茸兓?/p>

通過(guò)表2可以看出:環(huán)境溫度26.0℃，大氣壓100.20 kPa時(shí)，高純氮?dú)?(相對(duì)濕度接近 0)，以16 L/min的流量進(jìn)入裝滿水的容器中，當(dāng)氣體體積達(dá)到10 L，約37.5 s(加上操作時(shí)間，實(shí)際停留時(shí)間約1 min)后，氮?dú)獾南鄬?duì)濕度為78.12%RH(25.10℃);當(dāng)流量為1 L/min時(shí)，氣體體積達(dá)到10 L，約10 min后，氮?dú)獾南鄬?duì)濕度為79.58%RH(24.80℃)。由于水蒸發(fā)的影響，26℃時(shí)1 min內(nèi)氮?dú)獾南鄬?duì)濕度從0上升到 78.12%RH，延長(zhǎng)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(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)，空氣壓力0.4 MPa，在99.86 kPa，22.81℃時(shí)，濕度為26.30%RH，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 不同流量?jī)?chǔ)水容器內(nèi)空氣的濕度變化

通過(guò)表3可以看出:環(huán)境溫度23.0℃，大氣壓99.86 kPa時(shí)，空氣 (相對(duì)濕度26.3%RH)以16 L/min的流量進(jìn)入裝滿水的容器中，當(dāng)氣體體積達(dá)到10 L，約37.5 s(加上操作時(shí)間，實(shí)際停留時(shí)間約1 min)后，空氣的相對(duì)濕度為70.18%RH(23.10℃);當(dāng)流量為1 L/min時(shí)，氣體體積達(dá)到10 L，約10 min后，空氣的相對(duì)濕度為73.58%RH(23.28℃)。由于水蒸發(fā)的影響，23℃時(shí)1 min內(nèi)氣體的相對(duì)濕度從26.3%RH上升到70.18%RH，延長(zhǎng)到10 min，濕度變化約4%RH。

結(jié)合上述三組實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論:水在密閉容器中，1 min內(nèi)蒸發(fā)速度很快，1 min后蒸發(fā)速度下降，1～10 min水蒸發(fā)的變化量不大，室溫23～26℃時(shí)，約(2～4)%RH;水的蒸發(fā)與溫度有關(guān)，溫度越高，1 min內(nèi)密閉容器內(nèi)氣體達(dá)到的濕度越高;對(duì)于1 min觀測(cè)時(shí)間來(lái)說(shuō)，水的蒸發(fā)速度極快，以至于可以忽略進(jìn)入密閉容器氣體的濕度大小，不同濕度氣體進(jìn)入儲(chǔ)水容器內(nèi)1 min后濕度值基本接近。

4 濕度變化對(duì)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(shí)，氣體在儲(chǔ)水容器內(nèi)的停留時(shí)間一般超過(guò)1 min，溫度在23～26℃時(shí)，氣體濕度變化 (40～50)%RH。為了便于分析濕度變化對(duì)流量測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，統(tǒng)一按最小變化量40%RH計(jì)算，假設(shè)儲(chǔ)水容器內(nèi)氣體壓力為110000 Pa，如果不考慮濕度變化，將對(duì)流量測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，如表4所示。

表4 濕度對(duì)流量測(cè)量的影響

通過(guò)表4可以看出:由于進(jìn)入儲(chǔ)水容器的氣體濕度增加，導(dǎo)致裝置測(cè)得的氣體質(zhì)量偏大，在23～26℃范圍內(nèi)超過(guò)1%;濕度變化對(duì)流量測(cè)量的影響隨溫度升高而加大。

5 問(wèn)題的解決

由于氣體濕度變化，可以使裝置的測(cè)量誤差達(dá)到1%左右，如果不解決該問(wèn)題，這種置換法氣體裝置將無(wú)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(cè)量容器內(nèi)氣體的濕度，恒溫使用和氣水分離。用油替換水，仍然會(huì)受油蒸汽壓的影響，所以應(yīng)選擇飽和蒸汽壓小的油，此外由于油的粘度比水大，會(huì)增加標(biāo)準(zhǔn)量器溯源的難度。在線測(cè)量濕度采用一般傳感器準(zhǔn)確度很難達(dá)到要求，高精度傳感器價(jià)格較貴。恒溫使用要求每次測(cè)量期間環(huán)境溫度變化不超過(guò)0.3℃ (按該項(xiàng)不確定度分量不超過(guò)0.02%估算)，而且需要準(zhǔn)確測(cè)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(cè)氣體經(jīng)質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)流量后，流過(guò)被檢表，進(jìn)入氣球，測(cè)量氣球內(nèi)的溫度和壓力。該方法避免了水與被測(cè)氣體接觸，保證置換法氣體流量裝置內(nèi)氣體組分與被檢表內(nèi)流過(guò)的組分完全相同。

圖2 改造后的置換法氣體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

6 結(jié)論

濕度較低的氣體進(jìn)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(shè)計(jì)類似于本文置換法氣體小流量裝置時(shí)要考慮被測(cè)氣體組分變化，如氣體鐘罩反吹收集氣體時(shí)，應(yīng)考慮密封液體蒸發(fā)的影響。

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

［2］王兆新，李莉芝.流量計(jì)量中濕度影響分析 ［J］.自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)裝置［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2012，33(5A):126－129.

［4］王池，王自和，張寶珠，等.流量測(cè)量技術(shù)全書(shū) ［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012:647－653.