皂膜流量计校准中湿度的修正 气体小流量测量校

摘    要：

介绍了皂膜流量计校准过程中, 以干式流量校准器为标准器时的湿度修正方法。通过对校准系统的理论分析和试验验证, 得出了有效可靠的修正系数, 可以消除湿度对校准结果的影响。

干式流量校准器是一种应用广泛的流量计, 它采用了干式活塞运动的原理, 通过容积和运动时间测得流量。与一些传统的流量计相比, 它可以连续读取示值, 准确度高, 使用起来快速方便。本实验室使用了一款高准确度干式流量校准器作为气体小流量测量校准系统中的标准器, 用来校准流量较小的气体质量流量计、浮子流量计、皂膜流量计等。

校准皂膜流量计的过程中, 干燥的气体流过皂膜流量计时气体会被加湿, 而流过干式流量校准器的气体是干燥的, 对校准结果产生较大影响。为了消除湿度对校准结果的影响[1], 可以在前端增加一个加湿器, 使气源经过加湿后再流入流量计, 但长时间使用这样方法, 会对标准器造成损坏。本文介绍一种湿度修正的方法, 对标准器的示值加以修正, 这样既不损坏标准器, 也能消除湿度对校准结果的影响。

气体小流量测量校准系统的组成如图1所示, 主要包括气源 (高纯氮) 、减压阀、流量调节阀、换向阀、标准器、被校表等。被校表和标准器是并联的, 通过换向阀切换气体流向。

本文试验用的被校表是电子皂膜流量计[2]。标准器采用的是SL-800型干式流量校准器, 如图2所示。这款干式流量校准器由底座、气缸、活塞、光电发射器、温度传感器、压力传感器、旁路和流量计算单元组成, 其流量范围为5~50 000 m L/min, 不确定度为0.2% (k=2) 。该干式流量校准器中的圆筒形气缸推动内部的活塞上升, 由于气缸活塞的几何尺寸是固定的, 只要准确地测量出活塞通过气缸的时间就可以计算出准确的体积流量, 其内部自带温度和压力传感器可实现地自动补偿从而获得气体的质量流量。它采用无汞密封, 安全环保。

在校准过程中, 气体流入皂膜流量计, 气体中的干空气质量保持不变[3], 根据气体状态方程, 得到:

式中:p0, d, p1, d——分别为皂膜流量计前端和内部干空气的压强, k Pa;

V0, V1——分别为皂膜流量计前端和内部的气体流量体积, m3;

T0, T1——分别为皂膜流量计前端和内部的气体温度, K

式中:p0, p1——分别为皂膜流量计前端和内部气体总压强, k Pa;

φ0, φ1——分别为皂膜流量计前端和内部气体的相对湿度[4], %RH;

p0, sa, p1, sa——分别为T0, T1条件下的水蒸气饱和压强, k Pa

将式 (2) 代入式 (1) 得:

由于校准过程中皂膜流量计处于稳定平衡状态, 其前端和内部的气体温度近似相等, 即T0=T1, 则有p0, sa=p1, sa=psa, 式 (3) 可以简化为

由于换向阀只是起到转变气体方向的作用, 皂膜流量计和标准器前端的气体状态条件相同, 同理可得:

式中:p2——为标准器内部气体总压强, k Pa;

φ2——为标准器内部气体的相对湿度, %RH;

V2——为标准器内部的气体流量体积, m3

将式 (4) 和式 (5) 合并可得:

湿度的修正量为

将式 (6) 代入式 (7) 得:

试验中测得气体的温度为22℃, 查表得水蒸气饱和压强psa为2.644 7 k Pa。经检测, φ1为99.6%RH, φ2为44.2%RH, p1为101.222 k Pa, p2为101.236 k Pa。将这些数值代入式 (8) , 得到理论修正值为1.5%。

为了验证上述分析是否正确, 本文作者做了一组对比试验, 对有加湿器和无加湿器两种情况下皂膜流量计与标准器的误差进行比较, 得到了实际的修正值。

试验使用了三款常见的电子皂膜流量计, 分别是国外某公司的20cc-6LPM型电子皂膜流量计 (***大流量为6 000 m L/min) 、北京某公司的GL-103A型电子皂膜流量计 (***大流量为2 000 m L/min) 、武汉某公司的TH-ZM8型电子皂膜流量计 (***大流量为2 000 m L/min) 。这三款流量计都是刚完成出厂检定、全新未使用过的。三种类型的皂膜流量计的对比试验结果如表1、表2和表3所示, 把安装了加湿器前后的标准器示值进行对比, 找出合适的修正值。

表1 20cc-6LPM型皂膜流量计的对比试验结果

备注:无和有表示是否安装加湿器, 单位m L/min。

表2 GL-103A型皂膜流量计的对比试验结果

备注:无和有表示是否安装加湿器, 单位m L/min。

表3 TH-ZM8型皂膜流量计的对比试验结果

备注:无和有表示是否安装加湿器, 单位m L/min。

由以上三个表格数据可知, 平均修正值在1.5%左右, 与之前理论分析得到的修正值基本相同, 所以说该湿度修正方法是正确的。

综上所述, 本文介绍的湿度修正的方法, 可以用于以干式流量校准器作为标准器的气体小流量测量校准系统对皂膜流量计的校准中。经过试验验证, 该湿度修正方法有效可靠, 能消除湿度对校准结果的影响。