湿度变化对置换法气体小流量装置影响的研究

向德华

(湖南省计量检测研究院，湖南长沙 410011)

0 引言

空气的物理化学性能相对稳定，经常用作检测流量仪表的载体，空气成分变化最大的组分是水蒸汽，也就是湿度的变化，精确测量气体流量一般需要考虑湿度的影响。一方面，干空气的组分固定，分子量、标准密度等理化指标基本是常数，设计流量仪表、装置可以通过文献获得，但实际使用时大部分介质是湿气体，如空气湿度对音速文丘里喷嘴测量空气流量的影响，当空气湿度为50%RH，温度为20℃时，湿度对流量测量的影响约为0.24%［1］;用节流装置测量湿人工煤气时，湿度对流量测量也有较大影响，当湿度为80%RH，温度为50℃时，其影响达到11.4%［2］。另一方面，在检定流量计时，被测气体在被测流量仪表和标准装置两个位置的湿度不同也会产生测量误差，使用气体置换水的气体流量装置检测气体流量仪表时就必须考虑测量过程中湿度变化的影响。

1 置换法气体小流量装置的原理［3］

图1 置换法气体小流量标准装置

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中，水受到气体的挤压进入标准量器，进入容器中气体体积等于标准量器中水的体积增加值。根据类似于PVTt装置的原理［4］，即在某时间间隔 t内气体流入特定储水容器的体积为V，测量容器内气体绝对压力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。

2 计算公式

气体质量流量公式为

式中:qm为质量流量;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;V2为气体排出水的体积，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为气体常数;R=8.3144;M为空气分子量。

3 气体湿度变化实验

3.1 压缩空气

压缩空气压力0.4 MPa，在100.23 kPa，24.8℃时湿度为30.50%RH。选10 L量器，不同流量做实验，观察当流量为1，2，6，10，16 L/min(0℃，1 atm为标准状态)时，流入储水容器 (体积约10 L)气体湿度的变化。湿度测量选用0.2级标准湿度传感器，向储水容器充气达到预定液位后，停止充气，立即把进入储水容器的空气放出，装入一个密封内置湿度传感器的塑料袋中，湿度示值稳定后，读出湿度值和温度值，实验数据如表1所示。

表1 不同流量储水容器内空气的湿度变化

通过表1可以看出:环境温度26.2℃，大气压100.23 kPa时，空气 (相对湿度30.50%RH)以16 L/min的流量进入装满水的容器中，当气体体积达到10 L，约37.5 s(加上操作时间，实际停留时间约1 min)后，空气的相对湿度变为80.05%RH(25.21℃);当流量为1 L/min时，气体体积达到10 L，约10 min后，空气的相对湿度为81.49%RH(25.41℃)。水的蒸发速度非常快，26℃时1 min内气体的相对湿度从30.50%RH上升到80.05%RH，延长到10 min，湿度变化约2%RH。

3.2 高纯氮气

用高纯氮气代替压缩空气重复上述实验，数据如表2所示。

表2 不同流量储水容器内氮气的湿度变化

通过表2可以看出:环境温度26.0℃，大气压100.20 kPa时，高纯氮气 (相对湿度接近 0)，以16 L/min的流量进入装满水的容器中，当气体体积达到10 L，约37.5 s(加上操作时间，实际停留时间约1 min)后，氮气的相对湿度为78.12%RH(25.10℃);当流量为1 L/min时，气体体积达到10 L，约10 min后，氮气的相对湿度为79.58%RH(24.80℃)。由于水蒸发的影响，26℃时1 min内氮气的相对湿度从0上升到 78.12%RH，延长到 10 min，湿度变化约3%RH。

3.3 不同温度的压缩空气

改变温度，用压缩空气进行上述实验，空气压力0.4 MPa，在99.86 kPa，22.81℃时，湿度为26.30%RH，重复上述实验，结果如表3所示。

表3 不同流量储水容器内空气的湿度变化

通过表3可以看出:环境温度23.0℃，大气压99.86 kPa时，空气 (相对湿度26.3%RH)以16 L/min的流量进入装满水的容器中，当气体体积达到10 L，约37.5 s(加上操作时间，实际停留时间约1 min)后，空气的相对湿度为70.18%RH(23.10℃);当流量为1 L/min时，气体体积达到10 L，约10 min后，空气的相对湿度为73.58%RH(23.28℃)。由于水蒸发的影响，23℃时1 min内气体的相对湿度从26.3%RH上升到70.18%RH，延长到10 min，湿度变化约4%RH。

结合上述三组实验可以得出结论:水在密闭容器中，1 min内蒸发速度很快，1 min后蒸发速度下降，1～10 min水蒸发的变化量不大，室温23～26℃时，约(2～4)%RH;水的蒸发与温度有关，温度越高，1 min内密闭容器内气体达到的湿度越高;对于1 min观测时间来说，水的蒸发速度极快，以至于可以忽略进入密闭容器气体的湿度大小，不同湿度气体进入储水容器内1 min后湿度值基本接近。

4 湿度变化对置换法气体小流量装置的影响

使用置换法气体小流量装置时，气体在储水容器内的停留时间一般超过1 min，温度在23～26℃时，气体湿度变化 (40～50)%RH。为了便于分析湿度变化对流量测量准确度的影响，统一按最小变化量40%RH计算，假设储水容器内气体压力为110000 Pa，如果不考虑湿度变化，将对流量测量结果产生影响，如表4所示。

表4 湿度对流量测量的影响

通过表4可以看出:由于进入储水容器的气体湿度增加，导致装置测得的气体质量偏大，在23～26℃范围内超过1%;湿度变化对流量测量的影响随温度升高而加大。

5 问题的解决

由于气体湿度变化，可以使装置的测量误差达到1%左右，如果不解决该问题，这种置换法气体装置将无法投入使用。主要有四种解决方法:采用饱和蒸汽压低的油替换水，在线测量容器内气体的湿度，恒温使用和气水分离。用油替换水，仍然会受油蒸汽压的影响，所以应选择饱和蒸汽压小的油，此外由于油的粘度比水大，会增加标准量器溯源的难度。在线测量湿度采用一般传感器准确度很难达到要求，高精度传感器价格较贵。恒温使用要求每次测量期间环境温度变化不超过0.3℃ (按该项不确定度分量不超过0.02%估算)，而且需要准确测量压缩空气的湿度，比较麻烦。因此，选择用气球把水气隔离的办法，如图2所示，被测气体经质量流量控制器调节流量后，流过被检表，进入气球，测量气球内的温度和压力。该方法避免了水与被测气体接触，保证置换法气体流量装置内气体组分与被检表内流过的组分完全相同。

图2 改造后的置换法气体小流量标准装置

6 结论

湿度较低的气体进入装水的密闭容器中，气体的湿度将很快上升，气体的组分因此改变，在使用、设计类似于本文置换法气体小流量装置时要考虑被测气体组分变化，如气体钟罩反吹收集气体时，应考虑密封液体蒸发的影响。

［1］陈忠基，赫荣光.空气湿度对音速文丘利喷嘴测量空气流量的影响 ［J］.计量技术，1997(10):18－19.

［2］王兆新，李莉芝.流量计量中湿度影响分析 ［J］.自动化仪表，2009，30(9):77－78.

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

［4］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，2012:647－653.