王銳剛，趙金燕，胡 波，黃 勇*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，云南 昆明 650228）

0 引 言

氣體流量計(jì)量廣泛用于貿(mào)易結(jié)算、能源計(jì)量、過程控制、環(huán)境保護(hù)等方面。而氣體流量計(jì)流量的溯源核心就是氣體流量標(biāo)準(zhǔn)［1］。特別是近年來全球能源資源的匱乏，全社會(huì)對(duì)流量計(jì)量的要求越來越高，氣體流量標(biāo)準(zhǔn)的研究對(duì)建立資源節(jié)約型社會(huì)和節(jié)能型工業(yè)具有十分重要的意義。

我國(guó)的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)研究水平和發(fā)達(dá)國(guó)家相比相對(duì)落后，目前我國(guó)國(guó)內(nèi)準(zhǔn)確度等級(jí)最高的氣體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院的200 L活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，準(zhǔn)確度0.05級(jí)，流量測(cè)量范圍為0.01 m3/h～6 m3/h，該裝置于上世紀(jì)90年代從日本進(jìn)口，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械加工精度要求高，價(jià)格昂貴，限制了該標(biāo)準(zhǔn)裝置的大量生產(chǎn)，使得這種計(jì)量方法無法廣泛使用［2］，目前國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)、計(jì)量部門大量使用氣體流量標(biāo)準(zhǔn)為0.5級(jí)鐘罩氣體流量標(biāo)準(zhǔn)和0.5級(jí)皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)，氣體流量的標(biāo)準(zhǔn)總體水平較低［3］。對(duì)于大量作為標(biāo)準(zhǔn)使用的0.2級(jí)、0.5級(jí)氣體流量計(jì)無法校準(zhǔn)，因此，如何有效校準(zhǔn)高精度氣體流量的標(biāo)準(zhǔn)研究迫在眉睫。

據(jù)國(guó)外相關(guān)資料報(bào)道，荷蘭計(jì)量技術(shù)研究院建立了低壓動(dòng)態(tài)置換氣體原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置的荷蘭國(guó)家基準(zhǔn)，由500 L鐘罩提供1 m3/h～4 m3/h的小流量。我國(guó)尚未開展用液體置換法的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)的研究。目前采用的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)于小流量氣體計(jì)量準(zhǔn)確度低，并且校準(zhǔn)費(fèi)用大，對(duì)高精度的氣體流量計(jì)無法校準(zhǔn)。針對(duì)目前氣體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置存在的問題，設(shè)計(jì)并研制置換法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，滿足社會(huì)對(duì)提高氣體流量精密檢測(cè)技術(shù)的要求，為企業(yè)節(jié)能降耗提供手段，具有十分重要的意義。

本研究根據(jù)流體力學(xué)基本原理，采用液體置換法設(shè)計(jì)檢測(cè)氣體流量的標(biāo)準(zhǔn)方法。

1 液體置換法氣體流量裝置的設(shè)計(jì)

1.1 置換法的工作原理

根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，當(dāng)普通流體不可壓縮，密度為常數(shù)，且流動(dòng)是恒定的時(shí)候，可視為理想流體看待。而理想流體流動(dòng)時(shí)流過任意不同截面時(shí)滿足質(zhì)量守恒和機(jī)械能守恒定律，即滿足流體力學(xué)的連續(xù)性方程和伯努利方程［4-5］。

置換法氣體流量校準(zhǔn)是將被校流量計(jì)、密封標(biāo)準(zhǔn)容器和標(biāo)準(zhǔn)容器用管路連接起來，液體以一定流量流入標(biāo)準(zhǔn)量器，測(cè)出流入標(biāo)準(zhǔn)容器的液體流量，并與被校流量計(jì)的示值進(jìn)行比較，從而檢測(cè)被測(cè)的氣體流量計(jì)。置換法的工作原理圖如圖1所示。

下面以圖1來說明校準(zhǔn)過程:

首先，關(guān)閉閥4和閥5，打開閥1和閥2，用水泵將標(biāo)準(zhǔn)密封容器裝滿水，關(guān)閉閥1和閥2，打開閥3，根據(jù)被校流量范圍分別選用小流量調(diào)節(jié)閥4或大流量調(diào)節(jié)閥5、閥6調(diào)到流量檢定點(diǎn)，開始計(jì)時(shí)，這時(shí)標(biāo)準(zhǔn)密封容器的水流入標(biāo)準(zhǔn)量器，同時(shí)分別記錄被校流量計(jì)前和密封容器內(nèi)的溫度、濕度和壓力，當(dāng)水可以從標(biāo)準(zhǔn)量器液位讀出時(shí)，記錄時(shí)間t和標(biāo)準(zhǔn)體積Vs，由于是校準(zhǔn)氣體流量計(jì)，必須對(duì)流動(dòng)氣體的溫度、壓力、濕度加以修正，被校流量計(jì)為轉(zhuǎn)子流量計(jì)［6-7］，根據(jù)下式可計(jì)算出通過被校氣體流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)刻度流量qsN:

圖1 置換法的工作原理圖

式中:Vs—流入標(biāo)準(zhǔn)量器的液體體積；t—液體流入標(biāo)準(zhǔn)量器的時(shí)間；PN，Ps，Pm—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下、標(biāo)準(zhǔn)密封容器內(nèi)和流量計(jì)前的氣體絕對(duì)壓力，PN=101 325 Pa；TN，Ts，Tm—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下、密封容器內(nèi)和流量計(jì)前的氣體熱力學(xué)溫度，TN=293.15 K；PDs，PDm—標(biāo)準(zhǔn)密封容器內(nèi)和流量計(jì)前水蒸氣壓力。

被校流量計(jì)為其他氣體流量計(jì)，根據(jù)下式可計(jì)算出通過被校氣體流量計(jì)的實(shí)際流量qs:

1.2 氣體流量裝置的樣機(jī)

圖2 裝置樣機(jī)圖

氣體流量裝置的樣機(jī)如圖2所示。管路設(shè)計(jì)參數(shù)分別是:管內(nèi)徑d=0.032 m，管道長(zhǎng)度l=1.5 m，流量Q1=130 L/min，Q2=45 L/min，水溫T=20 ℃，裝置管路采用PVC材質(zhì)，絕對(duì)粗糙度K=0.02 mm。

1.3 置換法氣體流量裝置的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì)方法，便于功能擴(kuò)展。該管理系統(tǒng)主要由文件、檢定模塊、查詢模塊、圖像采集模塊、數(shù)據(jù)維護(hù)等模塊組成。其中，最核心的模塊是檢定模塊，該模塊包括連接標(biāo)準(zhǔn)流量裝置、溫濕度計(jì)、壓力表進(jìn)行流量檢定3個(gè)功能。

1.3.1 測(cè)量前信息

測(cè)量前需要對(duì)待檢表的相關(guān)信息進(jìn)行登記，主要有委托單位、制造廠、規(guī)格型號(hào)等。按照實(shí)際情況如實(shí)填寫各欄即可。其中，流量計(jì)類型選定、流量計(jì)上限流量及單位、檢定依據(jù)等須參照待檢表來認(rèn)真填寫。當(dāng)確認(rèn)信息錄入無誤后點(diǎn)擊“保存”完成測(cè)量前信息錄入，進(jìn)入下一步，即進(jìn)入測(cè)量監(jiān)控部分。

該軟件還支持續(xù)檢功能，即能繼續(xù)完成以前未完成的檢定工作。具體操作為:點(diǎn)擊更多未測(cè)量信息按鈕，界面上測(cè)量編號(hào)就會(huì)變成下拉框并列出所有未完成的檢定，選擇需續(xù)檢的序號(hào)即可進(jìn)入測(cè)量監(jiān)控界面繼續(xù)檢測(cè)。

1.3.2 測(cè)量監(jiān)控

測(cè)量監(jiān)控主要由以下幾個(gè)部分組成:連接狀態(tài)區(qū)、開關(guān)狀態(tài)區(qū)、控制鍵盤區(qū)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示區(qū)、自動(dòng)測(cè)量量程選擇區(qū)、測(cè)量相關(guān)信息錄入及結(jié)果顯示區(qū)等。具體軟件界面如圖3所示。

圖3 測(cè)量監(jiān)控界面

各模塊功能和操作方法如下:

（1）連接狀態(tài)。標(biāo)示系統(tǒng)與壓力表、溫濕度計(jì)和氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的連接狀態(tài)，如沒連接上則顯示紅色并漢字提示無法連接，此時(shí)需檢查相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)的連接線，排除故障后點(diǎn)擊“重新連接”按鈕重新測(cè)試連接狀況。若確定采用脫機(jī)測(cè)試則可點(diǎn)擊相應(yīng)裝置連接狀況的漢字提示區(qū)，就可關(guān)掉與相應(yīng)設(shè)備的連接而進(jìn)行脫機(jī)測(cè)試。此時(shí)顏色會(huì)變成灰色并提示手動(dòng)輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)；如脫離氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置則只能進(jìn)行離機(jī)測(cè)量。如需再連接各設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，點(diǎn)擊“重新連接”即可。如系統(tǒng)和各設(shè)備連接上則顯示綠色并漢字提示，此時(shí)可進(jìn)行所有的操作。

（2）測(cè)量方式選擇區(qū)。動(dòng)態(tài)測(cè)量和靜態(tài)測(cè)量選擇。動(dòng)態(tài)測(cè)量為采用換向法進(jìn)行測(cè)量，即在測(cè)量過程中首先打開通向水槽的電磁閥開始放水，流速穩(wěn)定后關(guān)閉通向水槽的電磁閥，打開通向電子秤上的容器閥門開始測(cè)量。靜態(tài)測(cè)量為不進(jìn)行換向操作，直接打開通向電子秤上的容器閥門開始測(cè)量。

（3）鍵盤控制區(qū)。主要由離機(jī)測(cè)量、復(fù)位、放水、注水、自動(dòng)測(cè)量、手動(dòng)測(cè)量、開始測(cè)量和停止測(cè)量8個(gè)鍵組成。其中離機(jī)測(cè)量是專為小流量檢測(cè)而設(shè)計(jì)，主要操作為點(diǎn)擊此按鈕開始計(jì)時(shí)、采集溫濕度及壓強(qiáng)值，再次點(diǎn)擊結(jié)束測(cè)量，該操作可脫離氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置而進(jìn)行。鍵盤控制區(qū)后7個(gè)按鍵主要是操作氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置而進(jìn)行測(cè)量。

（4）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集區(qū)。顯示測(cè)量過程中的各個(gè)測(cè)量結(jié)果值。當(dāng)脫離壓力表進(jìn)行測(cè)量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)表壓會(huì)變成輸入框，此時(shí)需手動(dòng)輸入壓力值，當(dāng)脫離溫濕度計(jì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)溫度、標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)濕度都會(huì)變成輸入框，此時(shí)需手動(dòng)輸入溫濕度值。

（5）自動(dòng)測(cè)量量程選擇。當(dāng)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量時(shí)需在此選擇量程，有10 L、50 L和100 L（默認(rèn)）3個(gè)選項(xiàng)，當(dāng)選擇好量程后再進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量時(shí)在液位到達(dá)量程位置時(shí)則會(huì)自動(dòng)停止測(cè)量。

（6）單位選擇和標(biāo)準(zhǔn)選擇。有mL和L，還有瞬時(shí)和累計(jì)4個(gè)選項(xiàng)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。會(huì)影響最后的計(jì)算結(jié)果的單位和數(shù)值及報(bào)表格式。

（7）測(cè)量相關(guān)信息錄入和結(jié)果顯示。手動(dòng)錄入當(dāng)?shù)卮髿鈮骸⒘髁坑?jì)前溫濕度值、實(shí)測(cè)容積值、被檢表流量和流量計(jì)前表壓再點(diǎn)計(jì)算則可以得出此次測(cè)量的結(jié)果。點(diǎn)擊“保存”完成一次測(cè)量流程。

1.3.3 測(cè)量結(jié)果

測(cè)量結(jié)果分為測(cè)量記錄區(qū)、相關(guān)信息錄入?yún)^(qū)兩部分。測(cè)量記錄區(qū)是記錄上一步中測(cè)量的結(jié)果數(shù)據(jù)，相關(guān)信息錄入?yún)^(qū)主要是錄入檢定審核信息，點(diǎn)擊“保存結(jié)果”結(jié)束此次的測(cè)量，點(diǎn)擊“打印”則可顯示測(cè)量報(bào)告打印信息。測(cè)量結(jié)果界面如圖4所示。

2 檢定結(jié)果分析

測(cè)量不確定度是評(píng)定測(cè)量質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，也是評(píng)定測(cè)量設(shè)備能力的基本指標(biāo)［8］。本研究根據(jù)JJF1059-1999［9］及自行設(shè)計(jì)的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置樣機(jī)的實(shí)際情況，在制備的樣機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。

圖4 測(cè)量結(jié)果界面

試驗(yàn)分析檢定結(jié)果表明:置換法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度為U=0.09%（k=2），達(dá)到該設(shè)計(jì)U=0.15%（k=2）的要求［10］。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究根據(jù)流體力學(xué)基本原理，采用液體置換法設(shè)計(jì)檢測(cè)氣體流量的標(biāo)準(zhǔn)方法。

研究結(jié)果表明，置換法氣體流量裝置具有操作方便、穩(wěn)定性高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，用置換方法標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)流量計(jì)，符合國(guó)家量傳系統(tǒng)表中流量計(jì)的溯源。置換法氣體流量裝置校準(zhǔn)1 L/min以下小流量氣體流量計(jì)采用的是高液位負(fù)壓法，由于流量計(jì)前為大氣，液體流出時(shí)有小口徑短管控制，無需加泵僅靠液體自流就可達(dá)到恒壓，計(jì)算和操作相對(duì)簡(jiǎn)單。置換法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)較大流量時(shí)采用泵產(chǎn)生恒定流量，從而達(dá)到恒壓，使流量點(diǎn)的調(diào)節(jié)易于控制。置換法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在流量量傳體系中將起到重要作用，特別是在高準(zhǔn)確度、小流量測(cè)量方面具有優(yōu)勢(shì)。

（References）:

［1］周偉華.淺談流量計(jì)量的意義［J］.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2008，35（8）:85-86.

［2］徐英華.淺談氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的發(fā)展?fàn)顩r［J］.現(xiàn)代測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室管理，2004（2）:7-8.

［3］王自合.氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2005.

［4］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［5］劉建軍.流體力學(xué)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2006.

［6］段慧明.液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置［M］.北京:中國(guó)計(jì)量科學(xué)出版社，2004.

［7］北京市計(jì)量科學(xué)研究所.JJG 257-1994中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程:轉(zhuǎn)子流量計(jì)［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1994.

［8］王 池.流量測(cè)量不確定度分析［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2002.

［9］李慎安.JJG1059-1999測(cè)量不確定度的評(píng)定與表示［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1999.

［10］莫偉平.液體置換法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究［D］.昆明:昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，2010.