一種高精度小微氣體流量發(fā)生器

/ 山東省計量科學(xué)研究院

0 引言

隨著國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，節(jié)能環(huán)保意識和對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，小微流量的應(yīng)用越來越多。例如：環(huán)保領(lǐng)域的粉（煙）塵采樣器、安全生產(chǎn)領(lǐng)域中的壓力容器檢漏、太陽能領(lǐng)域的真空鍍膜，實驗室和企業(yè)使用的高精度小微流量計的量值溯源等，都需要進(jìn)行小微氣體流量測量。為了適應(yīng)現(xiàn)有應(yīng)用技術(shù)的需求，本設(shè)計研制了一種可測量小微流量且測量準(zhǔn)確度高的小微氣體流量發(fā)生器。

1 工作原理

氣體流量發(fā)生器的核心組件為一豎直的活塞系統(tǒng)；活塞筒帶側(cè)孔，實際上等于上、下兩個活塞，避免了工作活塞環(huán)（下活塞環(huán)）的開口直接與大氣相通；當(dāng)補(bǔ)償容器中的氣體通入腔體環(huán)形凹槽中，凹槽向上部份的微小泄漏量為無效值，不在計量中；采用補(bǔ)償容器的流量測量方法，其作用是減小下活塞環(huán)兩端壓差，使流過下活塞環(huán)縫隙的流量盡可能小；利用金屬活塞自重驅(qū)動活塞運行，以保證工作靜壓力的高度穩(wěn)定。

2 裝置結(jié)構(gòu)

小微氣體流量發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

上活塞環(huán)、下活塞環(huán)和活塞的間隙盡可能小，以確保從間隙泄漏的氣體量少；活塞環(huán)與活塞表面均應(yīng)足夠光滑，保證活塞在自由懸浮狀態(tài)下，其受到的豎直方向摩擦力與其重力相比盡可能小，可忽略不計。

激光位移傳感器，測量活塞的行程，打開閥門9和流量調(diào)節(jié)閥10，活塞在重力作用下下行，計算活塞運行體積，從而計算流量Q，Q=V/t= πr2h/t，然后進(jìn)行溫度壓力修正。

圖1 發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

3 工作步驟

1）在流量調(diào)節(jié)閥關(guān)閉狀態(tài)下，連通工作腔體與補(bǔ)償容器，用潔凈氣源對系統(tǒng)緩緩充氣，直至活塞升至最高點；

2）打開流量調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)至預(yù)定流量，然后切斷補(bǔ)償容器與工作腔體的氣路；

3）用位移測量儀測量活塞下降的距離及所用的時間；

4）根據(jù)測量數(shù)據(jù)及活塞尺寸計算出發(fā)生器的輸出流量。

4 設(shè)計解析

4.1 工作壓力

流量發(fā)生器在工作狀態(tài)下，活塞所受機(jī)械摩擦力忽略不計，處于自由懸浮狀態(tài)，金屬活塞的自重產(chǎn)生腔體的靜壓（工作壓力）保持恒定。

式中：p0—— 工作壓力（工作腔體中的）；

m—— 活塞的質(zhì)量；

g—— 重力加速度；

A—— 活塞的有效面積；

ρk—— 空氣密度；

ρm—— 活塞材料密度；

f—— 活塞筒與活塞之間的機(jī)械摩擦力（≈0）

4.2 流量平衡

在工作狀態(tài)下（工作腔體與監(jiān)視流量計之間的截止閥打開，補(bǔ)償容器與潔凈氣源之間截止閥以及工作腔體與潔凈氣源之間的截止閥關(guān)閉），工作腔體與外界流量交換，共有三股流量：

式中：Qout—— 流量調(diào)節(jié)閥輸出流量；

QΔp—— 由于活塞與活塞筒之間存在縫隙和壓差而產(chǎn)生向上的流量，稱為差壓流量；

Qn—— 流量調(diào)節(jié)閥打開時，活塞因自重而向下運動，同時輸出流量。由于氣體與活塞之間存在黏滯摩擦力而產(chǎn)生的隨活塞向下的流量，簡稱剪切流量；

v—— 活塞的運動速度；

Ap—— 活塞的截面積

速度v通過高精度非接觸位移測量儀測量位移和時間得到；活塞的截面積可用高精度幾何測量方法得到；vAp是發(fā)生器輸出流量的指示值；Qout是其實際值（未知）。輸出流量測量的準(zhǔn)確度與位移測量、時間測量和活塞截面積測量有關(guān)，活塞的圓度和圓柱度也影響活塞截面積的準(zhǔn)確度。

發(fā)生器的流量誤差為：ΔQ=QΔp-Qn，發(fā)生器的流量誤差與壓差流量和剪切流量相關(guān)。

4.3 補(bǔ)償過程

補(bǔ)償容器補(bǔ)償過程的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1）測量開始時，補(bǔ)償容器與工作腔體壓力相等

Δp下= 0；Δp上=p0

式中：Δp下—— 下活塞環(huán)兩端壓差；

Δp上—— 上活塞環(huán)兩端壓差

圖2 補(bǔ)償容器補(bǔ)償過程的結(jié)構(gòu)示意圖

2）開始后，發(fā)生器開始輸出流量，活塞以速度v下降

（1）由于上活塞環(huán)兩端存在壓差，補(bǔ)償容器中的氣體排放到大氣中

式中：ε=e/δ；

e—— 偏心距；

δ—— 無偏心時的環(huán)形縫隙值；

μ—— 動摩擦因數(shù)；

d—— 孔口的直徑；

l—— 活塞環(huán)的軸向長度

（2）同時，由于空氣存在黏性，形成由上向下的剪切流量：

由于Qn上＜＜QΔp上，故補(bǔ)償容器中的壓力逐漸減小，在下活塞環(huán)兩端形成差壓Δp下，于是下活塞環(huán)中也存在兩股流量。

（3）由于下活塞環(huán)兩端存在壓差，從腔體中氣體流向補(bǔ)償容器的流量：

（4）由于空氣存在黏性，引起下活塞環(huán)中由上向下（從補(bǔ)償容器流向腔體）的剪切流量：

當(dāng)活塞系統(tǒng)的尺寸、工作壓力、輸出流量確定后，QΔp下與補(bǔ)償容器的容積大小有關(guān)。當(dāng)時，則發(fā)生器的流量誤差：

即發(fā)生器輸出流量指示值vAp無限接近流量實際值Qout，發(fā)生器即為高精度小微氣體流量發(fā)生器。

5 結(jié)語

本發(fā)生器設(shè)計采用了自動補(bǔ)償系統(tǒng)，實現(xiàn)高精度小微氣體流量輸出，保證發(fā)生器工作腔體工作壓力的穩(wěn)定度。為了實現(xiàn)這一目的，因此需要對活塞系統(tǒng)進(jìn)行精密研磨，減小其機(jī)械摩擦力；達(dá)到盡可能高的活塞圓度和圓柱度；利用活塞自重驅(qū)動活塞運動，避免外力干擾；采用高精度位移測量儀，如激光位移傳感器、光電位移傳感器、光柵尺等；采用補(bǔ)償容器減小通過下活塞環(huán)間隙的流量。

活塞缸體可為三個不同有效容積的套筒，流量分別為：（1～10，10～100，100～1 000） mL/min；介質(zhì)采用空氣或者氮氣，溫度控制在（20±2）℃，濕度控制在（55～75）%RH，實現(xiàn)不同壓力下的試驗；發(fā)生器工作過程全自動化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、圖像顯示和報表生成等功能。