可調壓氣體流量標準裝置的研究

安海驕，趙 軼，王錫鋼，于勁竹，叢松霞

（1.天津市計量監督檢測科學研究院，天津300192；2.威海市計量所，威海264200）

隨著工業、醫療領域的發展，氣體流量計的應用越來越廣泛，對其計量的要求也越來越迫切。一些流量儀表對試驗氣路壓力有特定要求，如有的轉子流量計標稱工作壓力會達到0.35 MPa，定流量發生器 （一種用于高壓微小氣體流量測量的流量計）在使用時前端給定壓力較高，約在5～800 kPa 之間，孔口流量計[1]和部分定量發生器，需要在負壓條件下工作，所需壓力約-50～-5 kPa。然而，天津市計量監督檢測科學研究院所使用的鐘罩式氣體流量標準裝置和皂膜氣體流量標準裝置，由于試驗壓力上限低，而無法測量上述流量計。故在此致力于研制一種可調壓氣體流量標準裝置，通過與現有鐘罩或皂膜流量計相配合，實現對工作壓力較大的正壓流量儀表或負壓流量儀表的檢測。

該裝置不僅可以提供穩定、 可調的氣源壓力，準確度等級較高，而且制造成本低廉，靈活性強，適應多種類型的流量計。

1 裝置的結構及組成

天津市計量監督檢測科學研究院現有的鐘罩式氣體流量標準裝置，具有內壓穩定、準確度等級高的優點，但由于其按照排氣法使用，裝置試驗管路壓力受鐘罩內壓限制，最高不超過2.5 kPa，對此文中考慮采用進氣法使用鐘罩以提高介質壓力[2]。天津市計量監督檢測科學研究院另有一套皂膜氣體流量標準裝置，準確度等級在0.5 級～1.0 級，需要配合壓力穩定的氣源使用，筆者曾采用鐘罩作為氣源輸出，也無法測量高壓氣體流量儀表。

為使裝置能夠兼容不同的主標準器，且在正、負壓2 種工況下運行，在此采用了模塊化設計的思路。裝置由空壓機、穩壓容器、供氣模塊、溫壓測量模塊、流量調節模塊等部分組成。3 種不同結構形式的裝置如圖1～圖3所示，工況壓力不同或使用不同主標準器時，裝置的結構也有所區別，其模塊化設計滿足各種試驗系統的要求，各模塊之間用軟管連接，靈活性強。

圖1 使用鐘罩作為標準器的正壓流量標準裝置的結構Fig.1 Structure of standard bell prover of gas flow under positive medium pressure

圖2 使用皂膜流量計作為標準器的正壓流量標準裝置的結構Fig.2 Structure of standard facility using soap film flow meter under positive medium pressure

圖3 使用皂膜流量計作為標準器的負壓流量標準裝置的結構Fig.3 Structure of standard facility using soap film flow meter under negative medium pressure

1.1 供氣模塊

壓力可調的供氣模塊是裝置的主要組成部分之一。該模塊應保證裝置運行安全，提供潔凈的氣源，且壓力穩定。為了方便使用、節約空間，考慮將供氣模塊制作成一套集成設備。

供氣模塊的氣源由實驗室原有的空氣壓縮機提供，其輸出氣體壓力上限為700 kPa。為了盡可能擴大氣源壓力的調節范圍，將系統設計為分級減壓的結構， 每個氣源出口輸出不同壓力范圍的氣體。根據這一思路所設計的供氣模塊如圖4所示。

圖4 供氣模塊原理Fig.4 Schematic for gas supply module

圖中， 氣路主要由5 個調壓閥、3 個過濾器、3個指針壓力表、1 個負壓發生器及若干個球閥構成，所有部件的承壓能力均≮1 MPa。氣源進入設備后經過濾器和0～700 kPa 減壓閥后分為3 路：①直接接入0～700 kPa 氣源出口；②連接真空發生器，后者用于產生-100～0 kPa 的負壓氣源； ③進入0～200 kPa調壓閥，以備下一級減壓使用。0～200 kPa 調壓閥后再分為3 路：①通過0～10 kPa 調壓閥后連接氣源出口；②通過0～50 kPa 調壓閥后連接氣源出口；③直接接入氣源出口。通過選擇球閥的通斷，選通不同氣路，最終對應5 個不同壓力輸出范圍氣源接口。

1.2 溫壓測量模塊

溫壓測量模塊用于測量標準器或被檢表處的介質溫度和壓力，用于溫壓補償計算。在此，將該模塊設計為一個容積約2 L 兩端帶球冠的圓柱形密封腔體，腔體兩端分別設置進、出口，把最大允許誤差為0.075%的壓力變送器和最大允許誤差為±0.1 ℃的一體化溫度變送器插入腔體內。由于溫壓測量模塊一般設置在標準器或被檢表前端，因此，腔體能起到一定的穩壓作用，且可避免溫度、壓力波動造成的測量結果跳變劇烈的問題。

1.3 流量調節模塊

由于系統的流量調節范圍較大，流量調節模塊由一組并聯的流量調節閥組成，包括DN15 和DN10的球閥、DN6 和DN3 的針閥各1 個。對于流量較大的工況，使用球閥調節；對于測量流量較小儀器使用針型閥調節流量。

2 流量量值的計算

在使用可調壓氣體流量標準裝置測量流量儀表的過程中，需根據儀表類型、測量方法等因素，計算相應的標準流量量值，采用不同標準器時，其計算方法也有所差異。

2.1 采用鐘罩作為標準器

在檢定條件下，鐘罩的容積Vs為[3]

式中：VN為鐘罩的標準容積；αb為鐘罩材料的線脹系數；αsc為標尺的線脹系數；t 為檢定時的溫度。

根據理想氣體狀態方程，流經被檢流量計的氣體體積Vm為

式中：ρs，ρm分別為鐘罩內和被檢流量計處的氣體密度；ps，pm分別為鐘罩內和流量計處氣體絕對壓力；Ts，Tm分別為鐘罩內和 流量計處熱力學溫度；Zs，Zm分別為鐘罩和流量計狀態下的壓縮系數。

標準狀態下流經被檢流量計的氣體體積Vm，N為

式中：pN為標準狀態壓力，即pN=101325 Pa；TN標準狀態熱力學溫度，即TN=293.15 K。

流經被檢流量計的氣體質量mm為

此外，將式（2）～式（4）所示的累積流量值除以試驗時間即可得到相應的瞬時流量量值。

2.2 采用皂膜流量計作為標準器

流經被檢流量計的干氣體與皂液接觸后變成飽和濕氣體。由于皂膜管內的總壓力為大氣壓力，所以通過皂膜管時，干氣體的分壓力ps為

式中：ps為皂膜管處干氣體絕對壓力；pa為大氣壓力；psθ為試驗過程中氣體溫度θ 下的飽和蒸汽壓。

皂膜管兩刻線間的容積為

式中：Vs為皂膜管在溫度θ 下的容積；VN為皂膜管在標準狀態下的容積；α 為皂膜管的線脹系數；θ 為試驗時皂膜管的壁溫。

裝置流經被檢流量計的氣體體積、標準狀態下的氣體體積和氣體質量與式（2）～式（4）類似，不再贅述。

3 試驗研究

為了進一步驗證裝置的有效性，選取1 臺轉子流量計（刻度壓力為101325 Pa，刻度溫度為20 ℃）進行試驗，主標準器選擇200 L 的鐘罩，分別采用傳統排氣法鐘罩流量標準裝置和文中所提可調壓氣體流量標準裝置的圖1所示結構測量被檢儀表的示值誤差，試驗數據見表1和表2。

由于鐘罩內壓在1300 Pa 左右，采用排氣法時無法測量160 mL/s 以上的流量點。相反，采用文中所提可調壓氣體流量標準裝置，可以有效地調節輸出壓力，并將轉子流量計的進口壓力提升至16 kPa 以上，進而測量其全量程范圍。此外，比較表1和表2中160 mL/s 流量點下的試驗數據，可以發現，被測儀表的示值誤差未發生明顯變化，表明新裝置的流量量值準確，且采用的方法不會對測量結果產生影響。

表1 傳統排氣法鐘罩流量標準裝置試驗結果Tab.1 Experiment result using traditional standard bell prover of gas flow

表2 可調壓氣體流量標準裝置試驗結果Tab.2 Experiment result using gas flowrate standard facility with adjustable medium pressure

4 結語

文中所提可調壓氣體流量標準裝置，可測量工作壓力較大的正壓或負壓小流量儀表，模塊化的設計思路使裝置的結構更加靈活，且能兼容不同的主標準器。通過對各個模塊的最優化設計實現了輸出壓力、流量可調、溫壓測量等功能；研究了裝置在不同工況下的流量標準量值的計算方法；通過試驗驗證了裝置的有效性和準確性。