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一种校准微小流量电子皂膜流量计的新方法

时间:2017-04-24 16:30 来源:http://www.shslgs.com 点击数:

给出传统方法校准电子皂膜流量计的原理及过程,针对现状提出新的校准方法———置换法。 详述了置换法的工作原理、装置结构及操作过程,给出了示值误差公式,提出了操作注意事项,并与传统方法进行数据比对分析,总结了置换法的优点,希望能在校准或检测工作中得到推广和应用。

0.引言

目前用于测量微流量和小流量的计量器具主要有电子皂膜流量计、层流流量计、热式质量流量计等几种,与其它微小流量计量器具相比,电子皂膜流量计制造成本低、操作便捷,在科学实验、工业生产和理化分析等各个领域有着广泛的应用。 随着仪器制造技术的提升,电子皂膜流量计的测量范围已经可以达到 1m / min ~ 30 / min

校准电子皂膜流量计主要参照国家相关规程 来进行,常用的标准器是钟罩式气体流量标准装置。 然而,使用钟罩校准 100m / min 以下微小流量电子皂膜流量计时,试验时间长、容积分辨率低,试验过程中容易受到室温变化、钟罩压力变化、相对湿度变化等环境因素的影响。 以下将分析传统方法校准电子皂膜流量计的实现过程及不足之处,再提出一种新型的校准方法。

1.传统方法实现过程

利用钟罩式气体流量标准装置(0. 2 级,20对电子皂膜流量计开展校准的传统方法原理图如图所示。

 调节1.jpg

气源由钟罩提供,气流经流量调节阀调节流量后进入电子皂膜流量计。

注意应该使用清洁气体并保证气源压力波动小于 10Pa;试验过程中气温、室温变化小于 0. 5℃

1提升钟罩,待钟罩稳定后,开启出气阀,通过流量调节阀,将流量调至需校准的流量点。

 

2) 试验开始后,系统接收钟罩的输出脉冲并计时;记录钟罩及电子皂膜流量计的压力和温度值;每隔 2min 记录一次电子皂膜流量计的流量显示值。

 

3) 待系统接收脉冲数达到预设数量,系统自动停止检测,记录各试验数据,完成试验过程传统方法技术成熟、自动化程度高,在校准中流量和大流量时应该优先使用。

2.传统方法存在的不足

利用传统方法对标称流量小于 100m / min 的电子皂膜流量计进行校准时发现,对于 10m / min20m / min30m / min 等微小流量点,被检流量计的示值误差、重复性和稳定性都不好。 进行试验数据和理论分析发现,用传统方法存在以下两点不足。

2. 1 相对湿度影响大

钟罩往往使用精白油进行密封,因此钟罩内部气体的湿度较低,与实验室内的环境湿度差不多,然而气流经过电子皂膜流量计的皂液后,气体的相对湿度就会变大,可认为达到 100% RH。 有数据表明,室温为 20℃ ,大气压为 101. 325kPa,相对湿度为 65% R 的空气,当相对湿度增加到 100% R 时,水蒸气占空气总体积的比例由 1. 298% 变化为2. 318% ,如果湿度补偿不到位的话,仅由相对湿度带来的误差就已经超过 1% 

2. 2单次试验时间长

由于 20 钟罩的最小分度值限制,为了减少读数带来的误差,单次试验至少需要采集 1000 个脉冲。 钟罩的脉冲当量为 3. 5m / P,在 10m / min 的流量下, 1000 个脉冲的试验时间为 350min (5. 83h) ,校准三次就是 17. 9h,显然耗时太长。

 

3.置换法的提出

 

3.1试验装置及其技术要求

 调节2.jpg

如图所示,气源依旧由钟罩提供,气流先流经电子皂膜流量计,接着进入储水容器,该储水容器下部盛水,上部空间只能允许气体进入,因此可认为是一个密闭容器,容器出口装调节阀,调节阀后有细口瓶,用于接收容器流出来的水。 电子皂膜流量计前端装有压力表 P1 和温度表 T1 ;容器液体上部装有压力表 P2 和温度表 T2 ;液体宜采用蒸馏水;容器最小容积应为最大流量值的 500 倍至 1000 倍,建议 30 100L,这样在一次试验中(5min ,水面下降高度较小,容器中的空气压力变化也较小。细口瓶的瓶口在方便操作的前提下应尽可能小,这样可以防止试验过程中水的挥发。 另外,还应准备一台电子天平 (  级, d = 0. 01g ) 只秒表(0. 01s)

3. 2 操作过程

 

1) 带上干手套,用天平称量细口瓶的皮重 m1 并记录。

2) 打开流量调节阀, 调节流量, 直到皂膜流量计示值为校准流量点调节阀后面暂不加细口瓶。

3) 等待 1min 以消除开关阀门对气体容器中气流的干扰;将细口瓶迅速放置流量调节阀后端,接住容器内流出的水;同时启动秒表计时;记录电子皂膜流量计及容器的压力和温度值:p1 p2 T1  T2 ;每隔 2min 记录一次电子皂膜流量计的流量显示值。

试验 3min 后,撤离细口瓶的同时停止秒表计时,记录时间 t1 ,细口瓶此时总重 m2 ,电子皂膜流量计平均流量显示值 qV  注意:由于单次试验时间不长,且细口瓶瓶口较细,瓶中水蒸气的挥发可以忽略不计。

3. 3 示值误差计算

调节3.jpg

式中:E 为示值误差,% ;qv 为电子皂膜流量计平均流量显示值,m / min;qS 为标准值,m / min

研究表明,水在密闭空间容器中第 1min 内蒸发速度很快;1min 后蒸发速度开始下降,1 ~ 10min 内蒸发量变化不大,室温 23 ~ 26℃ 时,变化量约为(2~ ) % RH。 水的蒸发与温度有关,温度越高,1min

内密闭容器内气体的蒸发量越大, 相对湿度也越高。 由于 1min 观测时间内水的蒸发速度极快,以至于可以忽略进入密闭容器气体的原来湿度大小,不同湿度气体进入储水密闭容器内 1min 后湿度值基本接近。 故可认为气流经过电子皂膜流量计时相对湿度为 100% ,进入密闭容器后 1min 左右后,湿度为容器内的湿度,经过测量为 80. 1% R大气压 101. 3kPa,室温 20℃ )  计算密闭容器中干空气的体积公式为:

调节4.jpg

式中:V  t1 时间内进入容器内干空气的体积,m; m1 m2 分别为细品瓶测量前、后的重量,g;ρ 为蒸馏水的密度,g / m;θ 为容器内水蒸气占气体体积的百分比值,% ;pS 为容器内环境温度对应下的饱和蒸汽压,kPa;φ 为容器中的相对湿度,% R;p0 为容器内的气体压力,kPa

 

由理想气体状态方程可得:

调节5.jpg

结合式(1) ~ (可以计算出电子皂膜流量计的示值误差 E

 

3.4.注意事项

 

试验前,清洗电子皂膜流量计的内壁有需要的话还要加注皂液,确保内壁干净无杂物粘附;检查流量计上下传感器是否松动,若有松动现象则要先进行维修后再进行试验;确定流量计的示值是干空气的流量值还是相对湿度下的流量值;流量计是否需要人工输入表前压力、表前温度、相对湿度等信息。

 

试验用细口瓶的外壁应该干净整洁,无水滴残留;秒表启动操作和放置细口瓶应该同步且准确到位;秒表停止操作和撤离细口瓶也应同步且准确到位。

 

3. 5 校准结果比较

 

利用传统方法和置换法分别对同一台电子皂膜流量计的 50m / min 流量点进行校准,校准数据分别如表 1、表所示,示值误差比对曲线如图所示其中轴为校准次数序号,轴为示值误差

调节6.jpg

可见,置换法校准结果的示值误差、重复性等指标明显优于传统方法。

3. 6 置换法优点

 

1) 工作效率高。 利用电子天平替代钟罩成为主标准器,增加了容积分辨率,缩短了试验时间,提高了试验效率,降低了实验室电能损耗。

 调节7.jpg

2) 测量重复性好。 使用传统方法校准一个微小流量点可能需要几小时到十几个小时,期间环境条件易产生变化,造成校准结果准确度低、重复性变差等现象;而置换法的试验时间较短,电子天平的分辨力高,环境因素带来的附加误差较小,故重复性较好。

.结束语

 

应用传统方法校准微小流量电子皂膜流量计时,存在试验时间长、效率低、重复性差、易引入其它附加误差等问题,因此笔者提出一种新的校准方法———置换法。 该方法准确度高、 重复性好, 尤其是在校准 100m / min 以下流量时,可以大大提高工作效率。 行业内关于皂膜流量计或流量装置有一些应用文章,读者可以结合本文观点进行综合应用。 需要注意的是该方法目前还不是标准方法,方法可靠性数据有待于进一步积累和验证,因此不能用于检定工作场合;但可在校准或者检测工作中推广使用。