活塞式玻璃體積管氣體流量標準裝置試驗驗證

張毅治，于華偉

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

近幾年來，隨著新工藝和新技術的突破，特別是微電子機械系統(MEMS)的迅速發展，氣體小流量的測量得到廣泛應用［1-2］。尤其在航空航天技術、半導體制造業、真空鍍膜技術、生物工程、精細化工、新興能源、環境監測等眾多領域，氣體小流量控制和測量至關重要。美國國家標準與技術研究院(NIST)、德國聯邦物理技術研究院(PTB)、日本國家計量院(NMIJ)、意大利IMGC等機構也都建立了相應的氣體小流量標準裝置［3-4］。在國內，中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所，承擔了在“十一五”科研項目，并成功研制了氣體小流量標準裝置［5］。目前，該裝置已順利開展了氣體流量計的校準工作，并在多家計量機構得到了推廣和應用。在2014年，JJF 43-2014《活塞式玻璃體積管氣體流量標準裝置校準規范》正式出版［6］。筆者根據該校準規范對某計量機構的氣體小流量標準裝置進行了現場標定試驗和驗證。

1 裝置介紹

該裝置主要由氣源、壓力控制系統、流量控制系統、活塞式流量測量標準器、流量計實驗段、管路系統以及計算機控制處理系統組成。氣源采用氣瓶供氣，主標準器采用兩臺不同流量范圍的玻璃管活塞裝置并聯使用，采用光電開關測量活塞位移［7］。實現流量范圍分別為:0.1～1 L/min和0.5～10 L/min。

圖1為氣體小流量標準裝置的結構框圖，其原理為:氣瓶內高壓的氣體通過減壓閥減壓在穩壓罐內形成0.3 MPa穩壓氣源，通過流量調節閥進行流量調節。當球閥1，2關閉，球閥3打開時，穩定的氣流連續地通過被校流量計進入大氣;當球閥1或2打開，同時關閉球閥3時，氣流連續通過被校流量計和活塞式主標準器。

圖1 氣體小流量標準裝置結構框圖

活塞采用水銀環進行密封，氣流通過活塞式主標準器時，推動活塞移動，活塞的位移由光電開關測量，玻璃體積管的橫截面積已經過精確測量。在一定的測量時間內，流經標準器的氣體體積流量的表達式為:

式中:q為標準體積流量，L/min;V為標準體積，L;S為活塞截面積，dm2;L為活塞位移，dm;t為測量時間，s。

流量測量的準確度是依靠準確測量玻璃體積管截面積和活塞位移來保證的。同時測量氣體的溫度、壓力，對標準流量進行溫度、壓力修正。通過標準流量與被校流量計的指示流量相比較，得到被校流量計的誤差，實現流量計的校準。整個校準過程由計算機控制完成，實現自動化校準。

2 校準規范的實施

目前國內已開始大量使用活塞式玻璃體積管氣體流量標準裝置，2014年JJF 43-2014《活塞式玻璃體積管氣體流量標準裝置校準規范》的正式出版規范了該裝置的校準方法。該規范適用于流量范圍為0.003～10 L/min的活塞式玻璃體積管氣體流量標準裝置的校準，并給出了校準條件、校準項目及校準方法、校準數據的計算和處理等。其校準項目主要包括計時準確度試驗、標準容積值測量、密封性試驗、壓力波動試驗、溫度波動試驗和流量范圍驗證等。

3 標定試驗驗證

本試驗是在環境溫度為24℃，空氣濕度為66%的條件下進行的，試驗主要使用的標準器具詳見表1。

表1 標定試驗所使用的標準器具

依據校準規范，應用頻率計對體積管最短時間間隔進行了測量;應用標準環規組和內孔儀測量了體積管的橫截面積;應用激光干涉儀測量了光電開關的距離。根據上述試驗的結果可以計算體積管的標準容積值，確保容積值和測量時間的準確度。

表2 標定試驗數據

從表2可以得到，該裝置具有良好的計時準確度和密封性，其溫度波動和壓力波動在允許的范圍內［6］，流量穩定。

4 不確定度分析

在上述標定試驗的基礎上，對裝置的不確定度影響因素進行分析，根據數學模型，最終可確定影響標準流量值q的測量不確定度因素，如表3所示。

表3 不確定度影響因素

經過計算，該標準裝置的擴展不確定度Ur優于0.5%，k=2。

5 結論

活塞式玻璃體積管氣體流量標準裝置的氣源壓力穩定、流量連續可調，其精密的水銀環密封技術可靠，整套裝置具有精度高、量程比寬、穩定性強等特點。各項技術指標具有良好的優越性，可替代傳統裝置開展氣體熱式質量流量計、浮子流量計、皂膜流量計和泄漏計等氣體小流量的校準工作。JJF 43-2014《活塞式玻璃體積管氣體流量標準裝置校準規范》的實施完善了氣體流量標準裝置校準的溯源鏈，為活塞式玻璃體積管氣體流量標準裝置的校準提供了有力依據。

［1］王文林.活塞式氣體流量標準裝置檢定控制系統的研究［D］.北京:中國計量學院，2012.

［2］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，2012，32(1):22-25.

［3］NIST Calibration Services for Gas Flow Meters［Z］.NIST Special Publication，250-49.

［4］AutomatedGalssTubePrimaryStandard［Z］.Flow Dynamics，InC.

［5］張永勝，白銀.被動活塞式氣體流量主標準器［J］.宇航計測技術，2011，31(1):67-70.

［6］國家國防科技工業局，JJF 43(軍工)-2014活塞式玻璃體積管氣體流量標準裝置校準規范［S］.北京:國家國防科技工業局發行部，2014.

［7］張永勝，趙艷琴，董磊.水銀環密封技術在被動活塞式主標準器的應用［J］.工業計量，2010(S1):76-77，107.