一種高精度小微氣體流量發生器

/ 山東省計量科學研究院

0 引言

隨著國家產業結構轉型升級，節能環保意識和對產品質量要求的提高，小微流量的應用越來越多。例如：環保領域的粉（煙）塵采樣器、安全生產領域中的壓力容器檢漏、太陽能領域的真空鍍膜，實驗室和企業使用的高精度小微流量計的量值溯源等，都需要進行小微氣體流量測量。為了適應現有應用技術的需求，本設計研制了一種可測量小微流量且測量準確度高的小微氣體流量發生器。

1 工作原理

氣體流量發生器的核心組件為一豎直的活塞系統；活塞筒帶側孔，實際上等于上、下兩個活塞，避免了工作活塞環（下活塞環）的開口直接與大氣相通；當補償容器中的氣體通入腔體環形凹槽中，凹槽向上部份的微小泄漏量為無效值，不在計量中；采用補償容器的流量測量方法，其作用是減小下活塞環兩端壓差，使流過下活塞環縫隙的流量盡可能?。焕媒饘倩钊灾仳寗踊钊\行，以保證工作靜壓力的高度穩定。

2 裝置結構

小微氣體流量發生器的結構如圖1所示。

上活塞環、下活塞環和活塞的間隙盡可能小，以確保從間隙泄漏的氣體量少；活塞環與活塞表面均應足夠光滑，保證活塞在自由懸浮狀態下，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和流量調節閥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，然后進行溫度壓力修正。

圖1 發生器結構示意圖

3 工作步驟

1）在流量調節閥關閉狀態下，連通工作腔體與補償容器，用潔凈氣源對系統緩緩充氣，直至活塞升至最高點；

2）打開流量調節閥，調節至預定流量，然后切斷補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）根據測量數據及活塞尺寸計算出發生器的輸出流量。

4 設計解析

4.1 工作壓力

流量發生器在工作狀態下，活塞所受機械摩擦力忽略不計，處于自由懸浮狀態，金屬活塞的自重產生腔體的靜壓（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械摩擦力（≈0）

4.2 流量平衡

在工作狀態下（工作腔體與監視流量計之間的截止閥打開，補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閉），工作腔體與外界流量交換，共有三股流量：

式中：Qout—— 流量調節閥輸出流量；

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

Qn—— 流量調節閥打開時，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）。輸出流量測量的準確度與位移測量、時間測量和活塞截面積測量有關，活塞的圓度和圓柱度也影響活塞截面積的準確度。

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

4.3 補償過程

補償容器補償過程的結構如圖2所示。

1）測量開始時，補償容器與工作腔體壓力相等

Δp下= 0；Δp上=p0

式中：Δp下—— 下活塞環兩端壓差；

Δp上—— 上活塞環兩端壓差

圖2 補償容器補償過程的結構示意圖

2）開始后，發生器開始輸出流量，活塞以速度v下降

（1）由于上活塞環兩端存在壓差，補償容器中的氣體排放到大氣中

式中：ε=e/δ；

e—— 偏心距；

δ—— 無偏心時的環形縫隙值；

μ—— 動摩擦因數；

d—— 孔口的直徑；

l—— 活塞環的軸向長度

（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，故補償容器中的壓力逐漸減小，在下活塞環兩端形成差壓Δp下，于是下活塞環中也存在兩股流量。

（3）由于下活塞環兩端存在壓差，從腔體中氣體流向補償容器的流量：

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

當活塞系統的尺寸、工作壓力、輸出流量確定后，QΔp下與補償容器的容積大小有關。當時，則發生器的流量誤差：

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

5 結語

本發生器設計采用了自動補償系統，實現高精度小微氣體流量輸出，保證發生器工作腔體工作壓力的穩定度。為了實現這一目的，因此需要對活塞系統進行精密研磨，減小其機械摩擦力；達到盡可能高的活塞圓度和圓柱度；利用活塞自重驅動活塞運動，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；采用補償容器減小通過下活塞環間隙的流量。

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，實現不同壓力下的試驗；發生器工作過程全自動化，實現數據采集、圖像顯示和報表生成等功能。