摘 要: 為了滿足人們對(duì)不同濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體的需求，金屬管浮子流量計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。金屬管浮子流量計(jì)主要由熱式質(zhì)量流量計(jì)組成，熱式質(zhì)量流量計(jì)控制流量的精度直接影響著配出氣體濃度的準(zhǔn)確度。本文詳細(xì)介紹了皂膜式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)金屬管浮子流量計(jì)的過(guò)程。

 

    引言

    金屬管浮子流量計(jì)是將高濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體按照設(shè)定的稀釋比例，通過(guò)高精度的熱式質(zhì)量流量控制器控制，非常終輸出所設(shè)定的低濃度混合氣體的一款儀器。金屬管浮子流量計(jì)普遍適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、科學(xué)研究、生物制藥、質(zhì)量監(jiān)督等場(chǎng)所，也可與氣體分析測(cè)試類儀器配合使用，或者用于對(duì)這些儀器進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)。 

 

    1 金屬管浮子流量計(jì)的組成

    金屬管浮子流量計(jì)一般由機(jī)箱、液晶面板、管路、電路控制部件等組成，其中管路一般分為稀釋氣( 零氣) 口、通道 1 口、通道 2 口、混合氣口、廢氣口五大部分組成，其中稀釋氣( 零氣) 口、通道 1 口、通 道 2 口大多分別由三個(gè)熱式質(zhì)量流量控制器( 熱式

質(zhì)量流量計(jì)) 組成三個(gè)入氣通道，混合氣口、廢氣口大多分別由兩個(gè)浮子流量計(jì)組成兩個(gè)出氣通道。

 

    其中，三個(gè)熱式質(zhì)量流量控制器的流量精度直接影響配氣儀的配出氣體濃度的準(zhǔn)確度，所以定期對(duì)配器儀的流量控制器進(jìn)行流量校準(zhǔn)顯得尤為重要。 

 

    2 熱式質(zhì)量流量計(jì)的原理

    熱式質(zhì)量流量計(jì)( Thermal Mass Flowmeters，簡(jiǎn) 稱 TMF) 在國(guó)內(nèi)也稱為量熱式流量計(jì)。是通過(guò)測(cè)量氣體流經(jīng)流量計(jì)內(nèi)加熱元件時(shí)的冷卻效應(yīng)來(lái)計(jì)量氣體流量的。氣體通過(guò)的測(cè)量段內(nèi)有兩個(gè)熱阻元件，其中一個(gè)作為溫度檢測(cè)，另一個(gè)作為加熱器。溫度傳感元件用于檢測(cè)氣體溫度，加熱器則通過(guò)改變電流來(lái)保持其溫度與被測(cè)氣體的溫度之間有一個(gè)恒定的溫度差。當(dāng)氣體流速增加，冷卻效應(yīng)越大，使須保持熱電阻間恒溫的電流也越大。此熱傳遞正比于氣體質(zhì)量流量，即供給電流與氣體質(zhì)量流量有一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系來(lái)反映氣體的流量。 

 

    3 校準(zhǔn)方法

    3. 1 校準(zhǔn)用氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

    校準(zhǔn)金屬管浮子流量計(jì)流量一般可采用皂膜式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置( 主要由皂膜管和配套儀表組成)和活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。標(biāo)準(zhǔn)裝置應(yīng)有有效的檢定證書或校準(zhǔn)證書，并且其擴(kuò)展不確定度( k = 2)應(yīng)不大于金屬管浮子流量計(jì)流量非常大允許誤差絕對(duì)值的三分之一。本文以皂膜式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為例進(jìn)行詳細(xì)介紹。 

 

    3. 2 配套儀表( 如表 1 所示)

 

 

    3. 3 校準(zhǔn)氣體

    校準(zhǔn)氣體應(yīng)無(wú)游離水或油等雜質(zhì)存在，且組分或性狀與實(shí)際測(cè)量介質(zhì)相近，校準(zhǔn)金屬管浮子流量計(jì)的流量采用高壓氮?dú)馄康牡獨(dú)庾鳛闅庠捶浅�為合適。 

 

    3. 4 校準(zhǔn)環(huán)境

    環(huán)境溫度應(yīng)為( 5 ～ 40) ℃ ; 大氣壓力一般為( 86 ～ 106) kPa。 

 

    3. 5 金屬管浮子流量計(jì)安裝( 如圖 1 所示)

    其中被校金屬管浮子流量計(jì)有三個(gè)入氣口，分別為稀釋氣( 零氣) 口、通道 1 口、通道 2 口，需分別連接進(jìn)行依次進(jìn)行校準(zhǔn)，出氣口連接混合氣口，并且將廢氣口關(guān)閉。以校準(zhǔn)稀釋氣( 零氣) 口流量為例，圖1 中5處的被校金屬管浮子流量計(jì)的入氣口( 圖 1 中 4 后) 接稀釋氣( 零氣) 口，出氣口( 圖1 中6 前) 接混合氣口。

 

 

    3. 6 流量校準(zhǔn)

    3. 6. 1 密封性檢查

    在流量校準(zhǔn)之前，需要做密封性檢查。按 3. 5和金屬管浮子流量計(jì)使用說(shuō)明書的要求，安裝好配氣儀到標(biāo)準(zhǔn)裝置上，在零流量狀態(tài)下，觀察壓力測(cè)量?jī)x表示值不變。 

 

    3. 6. 2 流量標(biāo)定界面

    通過(guò)密封性檢查，就可以進(jìn)一步校準(zhǔn)金屬管浮子流量計(jì)的流量。國(guó)產(chǎn)動(dòng)態(tài)氣體校準(zhǔn)配儀一般會(huì)有一個(gè)設(shè)置界面，里面有一個(gè)流量標(biāo)定的界面，以圖 2 的標(biāo)定界面為例，進(jìn)行流量的校準(zhǔn)和標(biāo)定。各通道的流量校準(zhǔn)都是在這個(gè)界面完成的。 

 

    3. 6. 3 校準(zhǔn)流量點(diǎn)

    根據(jù) JJG 1132 － 2017《熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)檢定規(guī)程》，金屬管浮子流量計(jì)校準(zhǔn)流量點(diǎn)一般選擇qmax、0. 5qmax、qt、qmin ( 其 中 qt 為 分 界 流 量，一 般 取0. 2qmax ) 。金屬管浮子流量計(jì)的稀釋氣( 零氣) 口一般采用( 0. 2 ～ 4) L /min 的熱式質(zhì)量流量計(jì); 而通道 1口和通道 2 口則一般都采用( 0. 1 ～ 2) L /min 的熱式質(zhì)量流量計(jì)，稀釋氣( 零氣) 口的量程一般是通道 1 口、通道 2 口量程的 2 倍。以校準(zhǔn)稀釋氣( 零氣) 口的流量為例，則流量點(diǎn)一般選擇 4L /min、2L /min、 0. 8L /min、0. 2L /min。每個(gè)流量點(diǎn)校準(zhǔn)次數(shù)為 3 次。

 

 

    啟動(dòng)氣源，打開(kāi)閥門，將 4L /min 流量點(diǎn)輸入到圖 2 設(shè)定流量一欄中，設(shè)定好后金屬管浮子流量計(jì)自動(dòng)啟動(dòng)熱式質(zhì)量流量控制器，氣流會(huì)以設(shè)定流量穩(wěn)定通過(guò)配氣儀再經(jīng)過(guò)皂膜式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

 

    運(yùn)行至氣體狀態(tài)穩(wěn)定，用皂膜起泡器打好皂膜，試運(yùn)行數(shù)次; 接著計(jì)量器清零; 再接著用皂膜起泡器打好皂膜，當(dāng)皂膜升到下刻線時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)量器;當(dāng)皂膜升到上刻線時(shí)，同時(shí)停止計(jì)量器。記錄下計(jì)量器的時(shí)間、流過(guò)皂膜管的氣體累積流量、溫度、壓力等參數(shù)。這樣就完成非常好個(gè)流量點(diǎn)的一次校準(zhǔn)。

 

    重復(fù)以上過(guò)程至少兩次，完成非常好個(gè)流量點(diǎn)的校準(zhǔn)。按校準(zhǔn)流量點(diǎn)設(shè)定流量，重復(fù)下一流量點(diǎn)的校準(zhǔn)。重復(fù)以上過(guò)程，依次完成4L/min、2L/min、0. 8L/min、 0. 2L/min 所有流量點(diǎn)的校準(zhǔn)。

 

    其中，以圖 2 中實(shí)測(cè)流量那一欄的流量作為儀器流量，皂膜式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置 3 次分別測(cè)出來(lái)的流量取平均作為標(biāo)準(zhǔn)流量。如果標(biāo)準(zhǔn)流量值與儀器流量偏差超過(guò)了儀器的非常大允許誤差，則需對(duì)配氣儀進(jìn)行標(biāo)定。 

 

    3. 6. 4 流量標(biāo)定及校準(zhǔn)

    以稀釋氣( 零氣) 口為例，在圖 2“氣體種類”、“系數(shù)”分別輸入 N2、28。先將圖 2 “零點(diǎn)”和 “斜 率”分別改為 0. 0000 和 1. 000; 然后就選取 qmin、qmax流量點(diǎn) 即 0. 2L /min、4. 0L /min 進(jìn)行流量點(diǎn)測(cè)量。測(cè)量結(jié)果處理參考表 2。

 

 

     利用兩元一次方程 Y = KX + C，式中: Y—設(shè)定流量; X—測(cè)量結(jié)果平均值。如表 2，A1 ～ A3 分別為設(shè)定流量點(diǎn) 0. 2L /min 的三次實(shí)測(cè)流量值，A 為這三次實(shí)測(cè) 值 的 平 均 值; B1 ～ B3 分別為設(shè)定流量點(diǎn)4. 0L /min 的三次實(shí)測(cè)流量值，B 為這三次實(shí)測(cè)值的平均值。

 

    例如實(shí)測(cè) A1 = 0. 2012L/min、A2 = 0. 2005L/min、A3 =0. 2008L/min 則 A = 0. 2008L/min; B1 = 4. 010L/min、 B2 = 4. 014L/min、B3 = 4. 013L/min，則 B = 4. 012L/min分別代入方程 Y = KX + C，可以求得新的斜率 K = 0. 997 和零點(diǎn) C = 0. 0001，將結(jié)果輸入到圖 2 的“零 點(diǎn)”和“斜率”。這個(gè)過(guò)程為完成一個(gè)流量點(diǎn)的流量標(biāo)定。標(biāo)定完成后返回重新測(cè)量三次，再計(jì)算平均值，該值即為實(shí)測(cè)流量值，這樣就完成一個(gè)流量點(diǎn)的校準(zhǔn)。重復(fù)以上操作可以進(jìn)行其他流量點(diǎn)其他通道的標(biāo)定及校準(zhǔn)。 

 

    4 小結(jié)

    金屬管浮子流量計(jì)在環(huán)境監(jiān)測(cè)和質(zhì)量監(jiān)督等場(chǎng)所運(yùn)用越來(lái)越廣泛，人們對(duì)一定區(qū)間范圍內(nèi)任意不同濃度的氣體需求也越來(lái)越多，可見(jiàn)，金屬管浮子流量計(jì)的重要性更顯突出。然而，人們對(duì)這類儀器的計(jì)量溯源，普遍處于空白狀態(tài)。文章簡(jiǎn)單介紹金屬管浮子流量計(jì)的主要構(gòu)成及主要部件的工作原理，并且詳細(xì)的講解金屬管浮子流量計(jì)的皂膜式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置流量校準(zhǔn)法的校準(zhǔn)，通過(guò)流量校準(zhǔn)可以保證金屬管浮子流量計(jì)配制低濃度氣體的準(zhǔn)確可靠。