可调压气体流量标准装置的研究

安海骄，赵 轶，王锡钢，于劲竹，丛松霞

（1.天津市计量监督检测科学研究院，天津300192；2.威海市计量所，威海264200）

随着工业、医疗领域的发展，气体流量计的应用越来越广泛，对其计量的要求也越来越迫切。一些流量仪表对试验气路压力有特定要求，如有的转子流量计标称工作压力会达到0.35 MPa，定流量发生器 （一种用于高压微小气体流量测量的流量计）在使用时前端给定压力较高，约在5～800 kPa 之间，孔口流量计[1]和部分定量发生器，需要在负压条件下工作，所需压力约-50～-5 kPa。然而，天津市计量监督检测科学研究院所使用的钟罩式气体流量标准装置和皂膜气体流量标准装置，由于试验压力上限低，而无法测量上述流量计。故在此致力于研制一种可调压气体流量标准装置，通过与现有钟罩或皂膜流量计相配合，实现对工作压力较大的正压流量仪表或负压流量仪表的检测。

该装置不仅可以提供稳定、 可调的气源压力，准确度等级较高，而且制造成本低廉，灵活性强，适应多种类型的流量计。

1 装置的结构及组成

天津市计量监督检测科学研究院现有的钟罩式气体流量标准装置，具有内压稳定、准确度等级高的优点，但由于其按照排气法使用，装置试验管路压力受钟罩内压限制，最高不超过2.5 kPa，对此文中考虑采用进气法使用钟罩以提高介质压力[2]。天津市计量监督检测科学研究院另有一套皂膜气体流量标准装置，准确度等级在0.5 级～1.0 级，需要配合压力稳定的气源使用，笔者曾采用钟罩作为气源输出，也无法测量高压气体流量仪表。

为使装置能够兼容不同的主标准器，且在正、负压2 种工况下运行，在此采用了模块化设计的思路。装置由空压机、稳压容器、供气模块、温压测量模块、流量调节模块等部分组成。3 种不同结构形式的装置如图1～图3所示，工况压力不同或使用不同主标准器时，装置的结构也有所区别，其模块化设计满足各种试验系统的要求，各模块之间用软管连接，灵活性强。

图1 使用钟罩作为标准器的正压流量标准装置的结构Fig.1 Structure of standard bell prover of gas flow under positive medium pressure

图2 使用皂膜流量计作为标准器的正压流量标准装置的结构Fig.2 Structure of standard facility using soap film flow meter under positive medium pressure

图3 使用皂膜流量计作为标准器的负压流量标准装置的结构Fig.3 Structure of standard facility using soap film flow meter under negative medium pressure

1.1 供气模块

压力可调的供气模块是装置的主要组成部分之一。该模块应保证装置运行安全，提供洁净的气源，且压力稳定。为了方便使用、节约空间，考虑将供气模块制作成一套集成设备。

供气模块的气源由实验室原有的空气压缩机提供，其输出气体压力上限为700 kPa。为了尽可能扩大气源压力的调节范围，将系统设计为分级减压的结构， 每个气源出口输出不同压力范围的气体。根据这一思路所设计的供气模块如图4所示。

图4 供气模块原理Fig.4 Schematic for gas supply module

图中， 气路主要由5 个调压阀、3 个过滤器、3个指针压力表、1 个负压发生器及若干个球阀构成，所有部件的承压能力均≮1 MPa。气源进入设备后经过滤器和0～700 kPa 减压阀后分为3 路：①直接接入0～700 kPa 气源出口；②连接真空发生器，后者用于产生-100～0 kPa 的负压气源； ③进入0～200 kPa调压阀，以备下一级减压使用。0～200 kPa 调压阀后再分为3 路：①通过0～10 kPa 调压阀后连接气源出口；②通过0～50 kPa 调压阀后连接气源出口；③直接接入气源出口。通过选择球阀的通断，选通不同气路，最终对应5 个不同压力输出范围气源接口。

1.2 温压测量模块

温压测量模块用于测量标准器或被检表处的介质温度和压力，用于温压补偿计算。在此，将该模块设计为一个容积约2 L 两端带球冠的圆柱形密封腔体，腔体两端分别设置进、出口，把最大允许误差为0.075%的压力变送器和最大允许误差为±0.1 ℃的一体化温度变送器插入腔体内。由于温压测量模块一般设置在标准器或被检表前端，因此，腔体能起到一定的稳压作用，且可避免温度、压力波动造成的测量结果跳变剧烈的问题。

1.3 流量调节模块

由于系统的流量调节范围较大，流量调节模块由一组并联的流量调节阀组成，包括DN15 和DN10的球阀、DN6 和DN3 的针阀各1 个。对于流量较大的工况，使用球阀调节；对于测量流量较小仪器使用针型阀调节流量。

2 流量量值的计算

在使用可调压气体流量标准装置测量流量仪表的过程中，需根据仪表类型、测量方法等因素，计算相应的标准流量量值，采用不同标准器时，其计算方法也有所差异。

2.1 采用钟罩作为标准器

在检定条件下，钟罩的容积Vs为[3]

式中：VN为钟罩的标准容积；αb为钟罩材料的线胀系数；αsc为标尺的线胀系数；t 为检定时的温度。

根据理想气体状态方程，流经被检流量计的气体体积Vm为

式中：ρs，ρm分别为钟罩内和被检流量计处的气体密度；ps，pm分别为钟罩内和流量计处气体绝对压力；Ts，Tm分别为钟罩内和 流量计处热力学温度；Zs，Zm分别为钟罩和流量计状态下的压缩系数。

标准状态下流经被检流量计的气体体积Vm，N为

式中：pN为标准状态压力，即pN=101325 Pa；TN标准状态热力学温度，即TN=293.15 K。

流经被检流量计的气体质量mm为

此外，将式（2）～式（4）所示的累积流量值除以试验时间即可得到相应的瞬时流量量值。

2.2 采用皂膜流量计作为标准器

流经被检流量计的干气体与皂液接触后变成饱和湿气体。由于皂膜管内的总压力为大气压力，所以通过皂膜管时，干气体的分压力ps为

式中：ps为皂膜管处干气体绝对压力；pa为大气压力；psθ为试验过程中气体温度θ 下的饱和蒸汽压。

皂膜管两刻线间的容积为

式中：Vs为皂膜管在温度θ 下的容积；VN为皂膜管在标准状态下的容积；α 为皂膜管的线胀系数；θ 为试验时皂膜管的壁温。

装置流经被检流量计的气体体积、标准状态下的气体体积和气体质量与式（2）～式（4）类似，不再赘述。

3 试验研究

为了进一步验证装置的有效性，选取1 台转子流量计（刻度压力为101325 Pa，刻度温度为20 ℃）进行试验，主标准器选择200 L 的钟罩，分别采用传统排气法钟罩流量标准装置和文中所提可调压气体流量标准装置的图1所示结构测量被检仪表的示值误差，试验数据见表1和表2。

由于钟罩内压在1300 Pa 左右，采用排气法时无法测量160 mL/s 以上的流量点。相反，采用文中所提可调压气体流量标准装置，可以有效地调节输出压力，并将转子流量计的进口压力提升至16 kPa 以上，进而测量其全量程范围。此外，比较表1和表2中160 mL/s 流量点下的试验数据，可以发现，被测仪表的示值误差未发生明显变化，表明新装置的流量量值准确，且采用的方法不会对测量结果产生影响。

表1 传统排气法钟罩流量标准装置试验结果Tab.1 Experiment result using traditional standard bell prover of gas flow

表2 可调压气体流量标准装置试验结果Tab.2 Experiment result using gas flowrate standard facility with adjustable medium pressure

4 结语

文中所提可调压气体流量标准装置，可测量工作压力较大的正压或负压小流量仪表，模块化的设计思路使装置的结构更加灵活，且能兼容不同的主标准器。通过对各个模块的最优化设计实现了输出压力、流量可调、温压测量等功能；研究了装置在不同工况下的流量标准量值的计算方法；通过试验验证了装置的有效性和准确性。