氣體混合配比儀校準方法研究

王曉靚，張金光，劉漢冶

(國防科技工業2311 二級計量站，黑龍江 哈爾濱150046)

0 引言

隨著我國焊接技術水平和自動化水平以及工業對焊接質量的要求日益提高，使得混合氣體保護焊的應用范圍不斷擴大。氣體混合配比儀(以下簡稱配比儀)是提供均勻的兩元或三元混合氣體的裝置，通過調節兩元或三元氣體的流量，輸出滿足焊接生產要求的混合氣體。目前配比儀大量應用在廣泛的焊接領域。圖1為配比儀配比儀的型式，其中左圖為兩元混合，右圖為三元混合。

圖1 氣體混合配比儀型式

1 氣體混合配比儀結構及工作原理

配比儀是由氣體流量計、壓力控制器、過濾裝置和擴散器通過軟管連接組合的一整套設備，其工作原理如圖2 所示。設備后端分別連接兩種或三種不同氣體，在壓力控制器的壓力保護下，通過調節前端流量計流量，兩種或三種氣體在內部過濾裝置和擴散器中混合，最終輸出的是具有一定的配比濃度的可靠兩元或三元混合氣體。

圖2 氣體混合配比儀工作原理圖

其主要的計量參數是氣體流量，混合氣體的配比準確性是由流量調節實現的。例如在配比Ar 和CO2的混合氣體時，要求CO2的濃度比值為:25%，通常情況下，Ar 和CO2的輸出流量值分別為:15 L/min 和5 L/min。如果配比儀顯示的流量參數不準確，配比出來的混合氣體中CO2濃度比值就會改變而不滿足工藝要求，直接會影響到焊接產品的質量。

壓力控制器是配比儀的重要組成部分，它具有在輸入壓力不同時而保證輸出壓力相同的功能，有降壓和穩壓的作用。壓力控制器需要一定的氣源壓力(額定進氣壓力)才能工作。如果某一種氣源的壓力值超出或者低于這個壓力范圍，配比儀將不能實現氣體混合的功能。同樣，壓力控制器也是一種過壓保護裝置，當壓力輸入值過大時，為了保護前端氣體流量計，會通過安全閥自動排出氣體，起到保護設備的作用。此外，與壓力控制器相連接的進氣接口，流量計接口是由塑料軟管連接的，在配比儀內部，一旦有氣體泄漏的地方輕易的不會被發現，如果需要配比的混合氣體中含有氧氣，必然會導致安全事故。

2 氣體混合配比儀校準方法

出于安全生產和保證配比儀輸出的混合氣體濃度指標符合工藝要求就需要對其各項技術指標進行校準。正如前文所述，該設備是由多個計量器具通過軟管連接組合的一整套設備，通常的做法是把各儀表拆卸下來，分別對氣體流量計和壓力控制器進行校準。這種方法的缺點在于拆卸和安裝時都比較麻煩，內部連接管路和接頭多為一次性安裝部件，易損壞;安裝后的密封性無法保證，各項計量參數無法統一的校準。所以，只有通過對其進行系統校準，才能確保各參數技術指標的準確可靠。圖3 為某型號配比儀內部氣體管路結構。

圖3 某型號氣體混合配比儀內部氣體管路結構

本文介紹的是整機多參數校準，即不拆卸任何計量儀表，通過管路連接標準器實現校準，需要校準的有氣體流量計、壓力控制器、密封性。以氮氣瓶(氮氣為惰性氣體，常況下是一種無色無味無臭的氣體)內的壓力為整個校準過程的流量和壓力源，氮氣通過管路流經配比儀、標準流量計和標準壓力計，通過直接比較法校準出配比儀的各項技術數據。出于現場校準和便攜等因素考慮，標準流量計采用數字皂膜流量計，標準壓力計采用數字壓力計，以及配備一臺便攜式造壓器。圖4 為配比儀校準原理圖。

圖4 氣體混合配比儀校準原理圖

配比儀輸出的兩元混合氣體的濃度是通過調節流量來實現的，所以流量參數是配比儀的主要技術參數。選擇適當的閥門開關，在配比儀進入工作狀態的前提下，分別對二元或三元氣體流量計進行校準，例如CO2，O2和N2的混合氣體配比儀，當校準CO2流量計時，關閉O2和N2的流量調節開關;同樣，當校準O2流量計時，關閉CO2和N2的流量調節開關。調節氣體流量計的刻度流量值，氣體輸出端與標準流量計連接，直接比較數據得到流量參數的校準數據。

配比儀內部的壓力控制器是連接氣源和流量計控制的壓力部件。壓力控制器有一定的工作壓力范圍，當氣源壓力低于壓力范圍時，壓力控制器不會工作。當氣源壓力超出壓力范圍時，壓力控制器會采取過壓保護，同樣也不會進入到工作程序。選擇適當的閥門開關，通過數字壓力計和造壓器對配比儀進行加壓試驗，測試出壓力控制器的額定工作壓力，實現對壓力控制器進行校準的同時又能精確的校準出壓力控制器的安全工作壓力范圍。

配比儀的功能需要其內部具有良好的密封性才能實現。密封性不僅會影響到其工作壓力的穩壓狀態，還會影響到氣體配比濃度。在對配比儀進行密封性測試時，選擇適當的閥門開關，通過數字壓力計與配比儀連接，對其進行施加一定的壓力，耐壓一段時間后，測試出1min 內泄漏的壓力值，完成密封性測試。

3 校準過程中的一些注意問題

本文中介紹的校準方法需要注意以下幾點問題:校準裝置的選擇、壓力連接接口的設計、流量連接接口的設計、配比儀密封性的測試以及使用不同氣源時對配比儀的數據影響。

考慮到可擴展到現場校準的可能性，配比儀校準裝置就需要設計的具有便攜的優點，以便于在企業服務時方便運輸。同時也考慮到設備運輸過程中或外界環境的變化對其產生的影響，選擇標準器時，要把穩定性好，抗干擾能力強等要求考慮進去。

壓力連接主要有進口和出口連接，要考慮到接口的安全性和密封性，尤其是配比儀在與氣源連接時更要注意到這一點，接口設計時要選擇耐高壓的材料。流量連接就是流量標準器與配比儀的出口連接，其安全性和密封性也是設計的關鍵，出口管徑和標準器的管徑大小要匹配，必要時在配比儀出口處設計一個截止閥，防止流量的突然變化，起到保護標準裝置的目的。此外，配比儀密封性的測試涉及到微壓測量，壓力標準器的選擇不但要滿足配比儀的壓力指標，還要達到校準其泄漏量的要求，所以壓力校準裝置的選擇要把準確度指標提高一些。

在校準配比儀時，選擇用氮氣作為氣源來完成現場校準工作。例如，配比儀配比的是Ar 和CO2兩種氣體，在校準時全部使用N2作為氣源使用。三種氣體的密度不同，得到的流量值并不是刻度流量值，所以需要對Ar 和CO2分別進行氣體密度修正。要在流量計算公式右端乘以密度修正系數B1。和ρSN分別為檢定用介質與刻度用介質的密度值。

4 結語

隨著我國工業化進程的不斷提升，對產品零部器件焊接質量的要求也更加嚴格，針對企業生產中使用的配比儀進行校準也越來越受到重視。通過本文介紹的對配比儀的校準方法，可以不必拆卸各儀表而實現整機多參數的校準;出于對配比儀的使用安全考慮，增加了對其密封性進行校準的項目。使經過校準的配比儀數據更加準確可靠，輸出的混合氣體濃度指標滿足生產工藝要求，在提高了使用安全系數的同時也解決了配比儀的溯源問題。

［1］國防科工委科技與質量司. 力學計量［M］. 北京:原子能出版社.

［2］蘇彥勛. 流量計量與測試［M］. 北京:中國計量出版社，2007.

［3］國家質量監督檢驗檢疫總局，胡安倫. 壓力控制器檢定規程［S］. 2011.

［4］國家質量監督檢驗檢疫總局，徐英華. 浮子流量計檢定規程［S］. 2007.

［5］國家技術監督局，屠立猛. 浮標式氧氣吸入器檢定規程［S］. 1996.