气体混合配比仪校准方法研究

王晓靓，张金光，刘汉冶

(国防科技工业2311 二级计量站，黑龙江 哈尔滨150046)

0 引言

随着我国焊接技术水平和自动化水平以及工业对焊接质量的要求日益提高，使得混合气体保护焊的应用范围不断扩大。气体混合配比仪(以下简称配比仪)是提供均匀的两元或三元混合气体的装置，通过调节两元或三元气体的流量，输出满足焊接生产要求的混合气体。目前配比仪大量应用在广泛的焊接领域。图1为配比仪配比仪的型式，其中左图为两元混合，右图为三元混合。

图1 气体混合配比仪型式

1 气体混合配比仪结构及工作原理

配比仪是由气体流量计、压力控制器、过滤装置和扩散器通过软管连接组合的一整套设备，其工作原理如图2 所示。设备后端分别连接两种或三种不同气体，在压力控制器的压力保护下，通过调节前端流量计流量，两种或三种气体在内部过滤装置和扩散器中混合，最终输出的是具有一定的配比浓度的可靠两元或三元混合气体。

图2 气体混合配比仪工作原理图

其主要的计量参数是气体流量，混合气体的配比准确性是由流量调节实现的。例如在配比Ar 和CO2的混合气体时，要求CO2的浓度比值为:25%，通常情况下，Ar 和CO2的输出流量值分别为:15 L/min 和5 L/min。如果配比仪显示的流量参数不准确，配比出来的混合气体中CO2浓度比值就会改变而不满足工艺要求，直接会影响到焊接产品的质量。

压力控制器是配比仪的重要组成部分，它具有在输入压力不同时而保证输出压力相同的功能，有降压和稳压的作用。压力控制器需要一定的气源压力(额定进气压力)才能工作。如果某一种气源的压力值超出或者低于这个压力范围，配比仪将不能实现气体混合的功能。同样，压力控制器也是一种过压保护装置，当压力输入值过大时，为了保护前端气体流量计，会通过安全阀自动排出气体，起到保护设备的作用。此外，与压力控制器相连接的进气接口，流量计接口是由塑料软管连接的，在配比仪内部，一旦有气体泄漏的地方轻易的不会被发现，如果需要配比的混合气体中含有氧气，必然会导致安全事故。

2 气体混合配比仪校准方法

出于安全生产和保证配比仪输出的混合气体浓度指标符合工艺要求就需要对其各项技术指标进行校准。正如前文所述，该设备是由多个计量器具通过软管连接组合的一整套设备，通常的做法是把各仪表拆卸下来，分别对气体流量计和压力控制器进行校准。这种方法的缺点在于拆卸和安装时都比较麻烦，内部连接管路和接头多为一次性安装部件，易损坏;安装后的密封性无法保证，各项计量参数无法统一的校准。所以，只有通过对其进行系统校准，才能确保各参数技术指标的准确可靠。图3 为某型号配比仪内部气体管路结构。

图3 某型号气体混合配比仪内部气体管路结构

本文介绍的是整机多参数校准，即不拆卸任何计量仪表，通过管路连接标准器实现校准，需要校准的有气体流量计、压力控制器、密封性。以氮气瓶(氮气为惰性气体，常况下是一种无色无味无臭的气体)内的压力为整个校准过程的流量和压力源，氮气通过管路流经配比仪、标准流量计和标准压力计，通过直接比较法校准出配比仪的各项技术数据。出于现场校准和便携等因素考虑，标准流量计采用数字皂膜流量计，标准压力计采用数字压力计，以及配备一台便携式造压器。图4 为配比仪校准原理图。

图4 气体混合配比仪校准原理图

配比仪输出的两元混合气体的浓度是通过调节流量来实现的，所以流量参数是配比仪的主要技术参数。选择适当的阀门开关，在配比仪进入工作状态的前提下，分别对二元或三元气体流量计进行校准，例如CO2，O2和N2的混合气体配比仪，当校准CO2流量计时，关闭O2和N2的流量调节开关;同样，当校准O2流量计时，关闭CO2和N2的流量调节开关。调节气体流量计的刻度流量值，气体输出端与标准流量计连接，直接比较数据得到流量参数的校准数据。

配比仪内部的压力控制器是连接气源和流量计控制的压力部件。压力控制器有一定的工作压力范围，当气源压力低于压力范围时，压力控制器不会工作。当气源压力超出压力范围时，压力控制器会采取过压保护，同样也不会进入到工作程序。选择适当的阀门开关，通过数字压力计和造压器对配比仪进行加压试验，测试出压力控制器的额定工作压力，实现对压力控制器进行校准的同时又能精确的校准出压力控制器的安全工作压力范围。

配比仪的功能需要其内部具有良好的密封性才能实现。密封性不仅会影响到其工作压力的稳压状态，还会影响到气体配比浓度。在对配比仪进行密封性测试时，选择适当的阀门开关，通过数字压力计与配比仪连接，对其进行施加一定的压力，耐压一段时间后，测试出1min 内泄漏的压力值，完成密封性测试。

3 校准过程中的一些注意问题

本文中介绍的校准方法需要注意以下几点问题:校准装置的选择、压力连接接口的设计、流量连接接口的设计、配比仪密封性的测试以及使用不同气源时对配比仪的数据影响。

考虑到可扩展到现场校准的可能性，配比仪校准装置就需要设计的具有便携的优点，以便于在企业服务时方便运输。同时也考虑到设备运输过程中或外界环境的变化对其产生的影响，选择标准器时，要把稳定性好，抗干扰能力强等要求考虑进去。

压力连接主要有进口和出口连接，要考虑到接口的安全性和密封性，尤其是配比仪在与气源连接时更要注意到这一点，接口设计时要选择耐高压的材料。流量连接就是流量标准器与配比仪的出口连接，其安全性和密封性也是设计的关键，出口管径和标准器的管径大小要匹配，必要时在配比仪出口处设计一个截止阀，防止流量的突然变化，起到保护标准装置的目的。此外，配比仪密封性的测试涉及到微压测量，压力标准器的选择不但要满足配比仪的压力指标，还要达到校准其泄漏量的要求，所以压力校准装置的选择要把准确度指标提高一些。

在校准配比仪时，选择用氮气作为气源来完成现场校准工作。例如，配比仪配比的是Ar 和CO2两种气体，在校准时全部使用N2作为气源使用。三种气体的密度不同，得到的流量值并不是刻度流量值，所以需要对Ar 和CO2分别进行气体密度修正。要在流量计算公式右端乘以密度修正系数B1。和ρSN分别为检定用介质与刻度用介质的密度值。

4 结语

随着我国工业化进程的不断提升，对产品零部器件焊接质量的要求也更加严格，针对企业生产中使用的配比仪进行校准也越来越受到重视。通过本文介绍的对配比仪的校准方法，可以不必拆卸各仪表而实现整机多参数的校准;出于对配比仪的使用安全考虑，增加了对其密封性进行校准的项目。使经过校准的配比仪数据更加准确可靠，输出的混合气体浓度指标满足生产工艺要求，在提高了使用安全系数的同时也解决了配比仪的溯源问题。

［1］国防科工委科技与质量司. 力学计量［M］. 北京:原子能出版社.

［2］苏彦勋. 流量计量与测试［M］. 北京:中国计量出版社，2007.

［3］国家质量监督检验检疫总局，胡安伦. 压力控制器检定规程［S］. 2011.

［4］国家质量监督检验检疫总局，徐英华. 浮子流量计检定规程［S］. 2007.

［5］国家技术监督局，屠立猛. 浮标式氧气吸入器检定规程［S］. 1996.