置换法气体小流量标准装置能力验证*

向德华　王有贵　李　宁

(湖南省计量检测研究院，长沙 410011)

0　引言

气体小流量标准装置主要有皂膜流量标准装置、钟罩式气体流量标准装置、pVTt法气体流量标准装置、mt法质量流量标准装置、活塞法流量标准装置、标准表法气体流量装置和定容式气体微流量标准装置等等[1]。1m3/h以下、准确度等级优于0.2级的装置一般采用pVTt法、mt法或活塞法，装置间比对是保证量值统一必不可少的途径，是质量保证体系的重要组成部分[2]，其中mt法溯源到质量和时间，可以用实物标准砝码对电子天平进行验证；另外两种方法溯源到体积、时间以及温度和压力，装置测量不确定度主要由这四个分量的不确定度合成，从量值溯源的角度看，mt法准确度更高[3]。传递标准一般具有良好的重复性和稳定性[4]，小流量气体流量计很难用做传递标准，对装置进行比对。气体小流量标准装置一般可以忽略换向器和时间测量不确定度的影响，因此用电子天平与通过测量气体体积、温度和压力计算气体质量的装置进行比对，就能验证装置的能力。

1　置换法气体小流量装置[5]

1.1　装置原理

装置示意图如图1所示。一定压力的空气，通过质量流量控制器调节需要的流量，再经被检表后流入装满水的储水容器的气囊内，水受到气体的挤压进入标准量器，流入气囊的气体体积等于标准量器中水的体积增加值。采用类似于pVTt装置的原理，即在某时间间隔t内气体流入特定储水容器的体积为V，测量气体的绝对压力p和热力学温度T，用气体状态方程计算出气体质量。流经被检仪表的气体质量等于储水容器的气体质量增加量，因此，可以计算出被检表示值误差。

1.空气稳压罐；2.调压阀；3.质量流量控制器；4.被检表；5.储水容器；6、7.标准金属量器；8.液位玻璃管

1.2　计算公式

(1)

式中：qm为质量流量；V2为气体排出水的体积示值，m3；V1为开始检测前，储水容器及被检表后管道、阀门的气体空间体积，m3；t为测量时间，s；p1、p2分别为测量开始前、后空气的绝对压力，Pa；T1、T2分别为测量开始前、后空气的热力学温度，K；Z为空气压缩系数；R=8.3144，为气体常数；M为气体分子量。

1.3　装置的测量范围及测量不确定度

装置的测量范围为：0.5～20L/min；流量测量不确定度：U=0.1％(k=2)。

2　装置测量结果验证

式(1)计算的是流进气囊的质量流量，测量时间一般大于60s，计时器的分辨力为1ms，计时引入的不确定度分量小于0.01％，可以忽略。

时间t内流入气囊的气体质量m为：

(2)

比较式(1)与(2)，忽略时间测量不确定度的情况下，气体质量流量测量不确定度就是流入气囊的气体质量的测量不确定度。

2.1　验证方法选择

检定或校准结果的验证一般通过更高一级的计量标准采用传递比较法进行验证。在没有更高一级的计量标准时，可以通过相同等级实验室的比对进行验证[3]。如果验证气体流量测量结果就必须要一台稳定的气体流量计，实际上很难找到符合这样要求的气体流量计，但是验证气体质量测量结果既可以采用高准确度的分析天平进行传递比较法，也可以采用准确度等级接近的分析天平进行比对法，具体方法如图2。

1.电子天平；2.高压气瓶；3.调压阀；4.球阀；5.储水容器；6、7.标准金属量器；8.液位玻璃管图2　电子天平验证置换法气体小流量标准装置

2.2　比对设备

参加比对的主标准采用赛多利斯电子分析天平，最大秤重3200g，分辨力1mg，不确定度10mg；气源采用4L带角阀的高压钢瓶一个，带气总重量约2900g。

2.3　比对技术方案

如图2所示，用电子分析天平称量带压钢瓶的质量m1，并用与质量m1相同的砝码校准天平。以钢瓶为气源，用气管将钢瓶出口与储水容器上部进气口相连，打开钢瓶角阀，通过球阀4调节气流速度，使容器7中的液位升高至设定液位，停止进气。关闭角阀、球阀4，取下进气管，称量钢瓶质量m2。气体小流量标准装置通过自动测量气囊内的气体压力、温度和气体体积计算出气体的质量m3。

Δm天平1=m1-m2

m装置1=m3

重复上述实验5次，依次有Δm天平2，m装置2，…Δm天平6，m装置6。

Δm天平=(Δm天平1+Δm天平2+…+Δm天平6/6

m装置=(m装置1+Δm装置2+…+Δm装置6/6

结果判定：按二台装置比对的要求，如果式(3)成立，就可以认为气体小流量标准装置对气体质量测量的不确定度与电子分析天平称量的不确定度接近，其测量能力得到验证。

(3)

3　比对实验

按照2.3比对技术方案的要求，共进行6次实验，数据记录如表1。

表1气体小流量标准装置与电子天平比对结果g

序号m1m2Δm天平iΔm天平m装置im装置12804　4012790　13414　26722804　9372790　66014　27732804　4232790　14514　27842804　8042790　52814　27652804　6312790　35714　27462804　7052790　43214　27314　27414　256314　267514　264414　264114　26214　261114　2626

将表1的数据代入式(3)：

|m装置-Δm天平|=|14.2626-14.274|

=0.0114g=11.4mg<17mg

式(3)成立，说明置换法气体小流量标准装置通过测量流入气囊内气体体积V、压力p和热力学温度T，用气体状态方程计算出气体质量m的方法可行，其气体质量的测量扩展不确定度达到0.1％(k=2)。

4　结论

实验表明，用电子分析天平验证置换法气体小流量标准装置的气体质量测量能力是可行的，该方法解决了高准确度气体流量测量验证没有稳定被测对象的难题。其它气体流量装置也离不开气体状态方程，同样可以采用图2所示的方法进行核查、验证。

[1]王池，王自和，张宝珠，等.流量测量技术全书[M].北京：化学工业出版社，2012,639-657

[2]王池.气体流量量值溯源体系探讨[J].计量学报，2003，14(3)：170-173

[3]杨宏海，饶有根，李强.m-t法气体质量流量标准装置[J].宇航计测技术，2000，20(2)：45-51

[4]黄向阳，李长武，罗强.标准表法气体流量标准装置及不确定度分析[J].计量技术，2006(7)：45-48

[5]向德华，周艳，李宁.一种置换法气体小流量标准装置.计量学报，2012,33(5A)：126-129

[6]丁跃清，倪育才，邓媛芳，等.JJF 1033—2008《计量标准考核规范》实施指南[M].北京：中国计量出版社，2008：105-106