置換法氣體流量標準裝置的研究

王銳剛，趙金燕，胡 波，黃 勇

（1.云南農(nóng)業(yè)大學 基礎(chǔ)與信息工程學院，云南 昆明 650201；2.云南省計量測試技術(shù)研究院 云南 昆明 650228）

氣體流量計量廣泛用于貿(mào)易結(jié)算、能源計量、過程控制、環(huán)境保護等方面。而氣體流量計流量的溯源核心就是氣體流量標準[1]。特別是近年來能源資源的全球匱乏，全社會對流量計量的要求越來越高，氣體流量標準的研究對建立資源節(jié)約型社會和節(jié)能型工業(yè)具有十分重要的意義。

我國的氣體流量標準研究水平和發(fā)達國家相比相對落后，常用的氣體流量標準為0.5級鐘罩式氣體流量標準和0.5級皂膜氣體流量標準，對于大量作為標準使用的0.2級、0.5級氣體流量計無法校準。如何有效校準高精度氣體流量的標準研究迫在眉睫。

1 國內(nèi)外同類研究現(xiàn)狀分析及存在的問題

目前我國國內(nèi)準確度等級最高的氣體小流量標準裝置為重慶市計量質(zhì)量檢測研究院的200 L活塞式氣體流量標準裝置，準確度0.05級，流量測量范圍(0.01～6)m3/h，該裝置于90年代從日本進口，由于結(jié)構(gòu)復雜，機械加工精度要求高，價格昂貴，限制了該標準的大量生產(chǎn)，使得這種計量方法無法廣泛使用[2]，目前國內(nèi)科研機構(gòu)、計量部門大量使用氣體流量標準為0.5級鐘罩氣體流量標準和0.5級皂膜氣體流量標準，氣體流量的標準總體水平較低[3]。據(jù)國外相關(guān)資料報道，荷蘭計量技術(shù)研究院建立了低壓動態(tài)置換氣體原級標準裝置的荷蘭國家基準，由500 L鐘罩提供（1～4）m3/h的流量。

我國尚未開展用液體置換法的氣體流量標準的研究。目前采用的氣體流量標準裝置對于小流量氣體計量準確度低，并且校準費用大，對高精度的氣體流量計無法校準。

基于目前氣體小流量標準裝置存在的問題，建立置換法氣體流量標準裝置，滿足社會提高氣體流量精密檢測技術(shù)的要求，為企業(yè)節(jié)能降耗提供手段，具有十分重要的意義。

2 液體置換法氣體流量裝置的設(shè)計

2.1 置換法的設(shè)計理論依據(jù)

根據(jù)流體力學知識，當普通流體不可壓縮，密度為常數(shù)，且流動是恒定的時候，可視為理想流體看待。而理想流體流動時流過任意不同截面時滿足質(zhì)量守恒和機械能守恒定律，即滿足流體力學的連續(xù)性方程和伯努利方程。

實際流體具有粘性，在流動過程中要克服流體與管壁以及流體內(nèi)部的相互摩擦阻力而作功，這將使流體的一部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散[4]。因此，實際流體的伯努利方程可寫為：

hwg—截面Ⅰ和截面Ⅱ之間單位質(zhì)量實際流體流動產(chǎn)生的能量損失。

2.2 置換法的設(shè)計原理

圖1為圓柱形帶外伸管嘴容器，管嘴長L＝（3～4）d，d為管嘴直徑，列出液面1-1至出口斷面2-2的伯努利方程

圖1 置換法的設(shè)計理論圖Fig. 1 The design theory of replacement method

能頭損失hr由1-1至c-c面之間局部收縮損失，c-c斷面后的局部突然擴大損失和管嘴的沿程能頭損失組成：

公式中CV短管流速系數(shù)；取C=CV，C稱為短管流量系數(shù)

取各系數(shù)值[5]代入公式（3）計算短管流量系數(shù),結(jié)果為C=0.82。

根據(jù)連續(xù)方程

從公式（4）推導可知只要測出流出容器的液體體積就可知道流過的氣體體積,根據(jù)以上理論設(shè)計出了置換法氣體流量標準裝置。

2.3 置換法的工作原理

置換法氣體流量校準是將被校流量計、密封標準容器和標準容器用管路連接起來，液體以一定流量流入標準量器，測出流入標準容器的液體流量，并與被校流量計的示值進行比較，從而檢測被測的氣體流量計。下面以圖2所示來說明校準過程。

圖2 置換法的工作原理圖Fig. 2 The schematic diagram of replacement method

首先關(guān)閉閥4和閥5，打開閥1和閥2，用水泵將標準密封容器裝滿水，關(guān)閉閥1和閥2，打開閥3，根據(jù)被校流量范圍分別選用小流量調(diào)節(jié)閥4或大流量調(diào)節(jié)閥5、閥6調(diào)到流量檢定點，開始計時,這時標準密封容器的水流入標準量器,同時分別記錄被校流量計前和密封容器內(nèi)的溫度、濕度和壓力，當水可以從標準量器液位讀出時，記錄時間t和標準體積Vs，由于是校準氣體流量計，必須對流動氣體的溫度、壓力、濕度加以修正，被校流量計為轉(zhuǎn)子流量計[6]根據(jù)下式計算出通過被校氣體流量計的標準刻度流量qSN。

式中Vs——流入標準量器的液體體積；

t——液體流入標準量器的時間；

PN、Ps、Pm——分別為標準狀態(tài)下、標準密封容器內(nèi)和流量計前的氣體絕對壓力；PN=101325 Pa 。

TN、Ts、Tm——分別為標準狀態(tài)下、密封容器內(nèi)和流量計前的氣體熱力學溫度；TN=293.15 K 。

表1 標準金屬量器不確定度分析Tab.1 The uncertainty analysis of standard metal container

分析檢定結(jié)果表明：置換法氣體流量標準裝置的擴展不確定度為U=0.09%（k=2），達到本課題設(shè)計U=0.15%（k=2）的要求。

PDs、PDm——分別為標準密封容器內(nèi)和流量計前水蒸氣壓力。

被校流量計為其他氣體流量計根據(jù)下式計算出通過被校氣體流量計的實際流量qs。

2.4 氣體流量裝置的樣機

圖3 裝置樣機圖Fig. 3 The equipment prototype figure

裝置的樣機如圖3所示。管路設(shè)計參數(shù)分別是：管內(nèi)徑d=0.032 m，管道長度l=1.5 m，流量Q1=130 L/min,Q2=45 L/min，水溫T=20 ℃，裝置管路采用PVC材質(zhì)，絕對粗糙度K=0.02 mm。

2.5 檢定結(jié)果分析

測量不確定度是評定測量質(zhì)量的一個重要指標，也是評定測量設(shè)備能力的基本指標[7]。根據(jù)JJF1059-1999[8]及自行設(shè)計的氣體流量標準裝置樣機的實際情況進行分析。

檢定方法：采用靜態(tài)容積法，選用標準金屬量器。檢定時，注入水至氣體標準裝置內(nèi)的上液位并讀數(shù)，再放水至標準量器或稱重容器，讀取氣體標準裝置的下液位讀數(shù)，通過讀取標準量器或衡器的示值和水的密度值，并進行溫度修正，即可得到上下液位之間標準密封容器的容積值。標準金屬量器不確定度分析如表1所示。

建立數(shù)學模型：考慮溫度的影響，則有：

上式中：VS——標準量器20℃時標稱容量刻度線處的實際容量值，L；

V20——被檢裝置液位高差△ 對應的20℃容量值，L；

I——被檢裝置分度容積值；mL/mm；

Δh——被檢液位高差，mm；

βs——標準量器的體脹系數(shù)；℃-1

βm——被檢量器的體脹系數(shù)；℃-1

βw——水的體脹系數(shù)；℃-1

θs——標準量器的水溫；℃

θm——被檢量器的水溫，℃

3 結(jié)束語

置換法氣體流量裝置具有操作方便、穩(wěn)定性高、重復性好等優(yōu)點，用置換方法標準氣體校準流量計，符合國家量傳系統(tǒng)表中流量計的溯源。置換法氣體流量裝置校準1 L/min以下小流量氣體流量計采用的是高液位負壓法，由于流量計前為大氣，液體流出時有小口徑短管控制，無需加泵靠液體自流就可達到恒壓，計算和操作相對簡單。置換法流量標準裝置校準較大流量時采用泵產(chǎn)生恒定流量，從而達到恒壓，使流量點的調(diào)節(jié)易于控制。置換法流量標準裝置在流量量傳體系中將起到重要作用，特別是在高準確度小流量測量方面具有優(yōu)勢。

[1]周偉華.淺談流量計量的意義[J].計量與測試技術(shù), 2008,35(8):85-86.

ZHOU Wei-hua. Discussion on the significance of flow measurement [J]. Measurement and Test Technology, 2008, 35(8):85-86.

[2]徐英華.淺談氣體流量標準裝置的發(fā)展狀況[J].現(xiàn)代測量與實驗室管理, 2004, 11(2): 7-8.

XU Ying-hua. The present development of gas flow standard device[J]. Modern Measurement and Laboratory Management,2004,11(2):7-8.

[3]王自合.氣體流量標準裝置[M].北京:中國計量出版社.2005.

[4]劉建軍.流體力學[M].北京:北京大學出版社.2006.

[5]段慧明.液體流量標準裝置和標準表法流量標準裝置[M].北京:中國計量出版社, 2004.

[6]JJG中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程[S].轉(zhuǎn)子流量計.1994.

[7]王池.流量測量不確定度分析[M].北京:中國計量出版社,2002.

[8]李慎安.JJG1059—1999測量不確定度的評定與表示[M].北京:中國計量出版社, 1999.