恒流裝置校準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確校準的影響，研究兩種恒流法（體積管氣體流量標準裝置配合調壓閥、皂膜氣體流量標準裝置傳遞恒流泵）的校準方法，得到滿意的干活塞氣體流量計校準結果。恒流泵傳遞比較法把皂膜氣體流量標準裝置和干活塞氣體流量計在量值溯源圖上聯系起來，是對氣體小流量量值溯源體系的有效補充。

干活塞氣體流量計；瞬時流量；恒流法；校準方法

0 引言

近年來國內的環境監測中心站和各級計量檢測機構，都陸續配置了美國BIOS公司生產的流量范圍為10～30 000mL/min的干活塞氣體流量計，作為校準動態配氣系統使用的微小氣體流量計的計量標準器。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，利用一個旁路閥達到連續測量，采用多次測量平均值獲得較高準確度的標準流量值，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。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的氣體流量基準裝置進行量值溯源。

中國測試技術研究院采用傳遞比較法進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準裝置進行量值溯源，干活塞氣體流量計的恒流泵傳遞校準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充；由于在1000mL/min以上流量的氣體流量標準裝置很少采用被動式的工作原理，在1000～30000mL/min范圍內一般采用主動活塞式的恒流法氣體流量標準裝置進行量值傳遞，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結果。

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非常低，且十分相近，同時兩者之間摩擦系數很低，理想的活塞應該是與缸體無摩擦、無泄漏、無形變、無滲透且質量為零，石墨活塞配硼硅酸鹽玻璃的氣缸體已接近完美：石墨活塞形狀穩定，摩擦力小，幾乎無滲透，同時通過合理的結構設計減小了活塞重量[1]。測量氣體流量的工作原理是：當活塞在氣缸體底部時關閉旁通閥，打開測量閥，接收氣流進入氣缸體，活塞上行觸發流量測量機構完成流量測量；當活塞運行到氣缸體上部，快速關閉測量閥，打開旁通閥，石墨活塞靠自重很快下降復位，此時氣流通過旁通閥仍然在平穩流動；活塞回到氣缸體底部時，又關閉旁通閥，打開測量閥，流量測量機構將立即復位進行下一次流量測量。

根據工作原理可以發現干活塞氣體流量計是一個可以連續測量瞬時流量的標準設備，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構是固定的，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的恒壓型氣體流量標準裝置不能用于干活塞氣體流量計的校準[2-3]。為了準確地校準干活塞氣體流量計，研究了兩種恒流法的校準方案，綜合使用兩臺氣體流量標準裝置和一臺傳遞恒流泵，實現了對干活塞氣體流量計全流量范圍的校準。

2標準裝置和校準方法

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

表1 標準裝置的性能和主要技術參數

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

圖1 氣路連接方式

表2 干活塞流量校準器流量范圍500～20000mL/min1）

校準過程：首先在體積管氣體流量標準裝置控制系統上設置校準流量值q，打開體積管氣體流量標準裝置的流量開關并啟動體積管，讓體積管氣體流量標準裝置在設定的流量下運行，在運行過程中調節調壓閥的開關，觀察體積管裝置內壓力值，當壓力值穩定后，記錄被校干活塞氣體流量計連續運行20次后獲得的平均流量值和體積管氣體流量標準裝置實際流量值，體積管氣體流量標準裝置控制系統自動采集氣體溫度、當前大氣壓力、表前壓力和裝置內壓力。校準記錄如表2所示。

體積管氣體流量標準裝置受流量控制系統輸出分辨率影響，在較小流量時（低于500mL/min）的調節能力下降，較難獲得穩定流量。采用的第2種校準方法是皂膜氣體流量標準裝置和恒流泵傳遞校準法，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定，這種傳遞校準法適用于校準流量范圍在20～500mL/min的干活塞氣體流量計。負壓用皂膜氣體流量標準裝置的出氣口連接恒流泵的吸氣口，測量出一個標準流量值，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

校準過程：使用0.5級皂膜氣體標準裝置采用負壓法標定流量穩定度優于0.2%的恒流泵，每標定一個恒流泵流量值，就用標定后的恒流泵對被校準的干活塞氣體流量計進行該流量點的校準。恒流泵連接被校準的干活塞氣體流量計的管線應盡可能短，以消除氣容受阻力變化的影響。由于校準的流量值很低，干活塞氣體流量計的工作阻力很小，與皂膜相差不大，約50Pa，可以不用壓力補償。負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準裝置和通過干活塞氣體流量計吸入的氣溫相差不大，可以不用溫度補償[5]。標準流量值由皂膜氣體流量標準裝置提供，記錄皂膜管體積和通過皂膜管體積刻線的時間，計算出標準器實際流量，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結果重復性都優于0.1%，流量修正系數的測量不確定度在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。對干活塞氣體流量計的校準數據進行分析，采用恒流法流量裝置可以消除流動阻力的對標準流量的影響，體積管氣體流量標準裝置的氣容被調壓閥隔斷，它測量的恒定標準流量就不會受干活塞氣體流量計的阻力波動影響，只需要測量標準裝置和被校準流量計的工作壓力，進行氣體狀態補償就可以獲得流量修正系數[8]。干活塞氣體流量計其實就是一種微小體積管，只是和傳統體積管的工作方式不同[9]，側重于瞬時流量的測量，利用旁通閥進行連續流量的測量，這也造成傳統體積管校準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可以適用于較寬的流量范圍，是校準干活塞氣體流量計的最理想方法，因皂膜流量標準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定值[10]，也就是皂膜流量標準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合的方法實現了對干活塞流量計的校準。

表3 干活塞流量校準器流量范圍20～500m L/min1）

3 結束語

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準裝置完成校準工作，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準裝置配合調壓閥測量較大流量，同時采用皂膜氣體流量標準裝置傳遞恒流泵測量較小流量的方法，彌補了單一方法不能校準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，也通過在重疊區域的校準工作比對了兩套裝置的量值，獲得理想的結果。

干活塞氣體流量計作為便攜式動態流量校準器，對多種低壓氣體流量計可以進行現場校準，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準裝置來校準干活塞氣體流量計是完善量值溯源鏈的必要條件和技術保證。

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

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

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

[4]張嘉祥.層流流量計計算模型和標定方法的研究[J].中國測試，2009（5）：14-17.

[5]韓瑋，雷勵，蔡立勛.定容壓差式泄露檢測機的使用和校準[J].中國測試技術，2005（6）：32-35.

[6]曾令平，馬天，羅張怡.空氣采樣技術及不確定度分析[J].中國測試技術，2004（6）：26-28.

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

[9]JJG 209—2010體積管檢定規程[S].北京：中國質檢出版社，2010.

[10]JJG 586—2006皂膜流量計檢定規程[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。