向德華

(湖南省計量檢測研究院，湖南長沙 410011)

0 引言

空氣的物理化學(xué)性能相對穩(wěn)定，經(jīng)常用作檢測流量儀表的載體，空氣成分變化最大的組分是水蒸汽，也就是濕度的變化，精確測量氣體流量一般需要考慮濕度的影響。一方面，干空氣的組分固定，分子量、標(biāo)準(zhǔn)密度等理化指標(biāo)基本是常數(shù)，設(shè)計流量儀表、裝置可以通過文獻(xiàn)獲得，但實際使用時大部分介質(zhì)是濕氣體，如空氣濕度對音速文丘里噴嘴測量空氣流量的影響，當(dāng)空氣濕度為50%RH，溫度為20℃時，濕度對流量測量的影響約為0.24%［1］;用節(jié)流裝置測量濕人工煤氣時，濕度對流量測量也有較大影響，當(dāng)濕度為80%RH，溫度為50℃時，其影響達(dá)到11.4%［2］。另一方面，在檢定流量計時，被測氣體在被測流量儀表和標(biāo)準(zhǔn)裝置兩個位置的濕度不同也會產(chǎn)生測量誤差，使用氣體置換水的氣體流量裝置檢測氣體流量儀表時就必須考慮測量過程中濕度變化的影響。

1 置換法氣體小流量裝置的原理［3］

圖1 置換法氣體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

如圖1所示，一定壓力的空氣通過質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)需要的流量，再經(jīng)被檢表后流入裝滿水的儲水容器中，水受到氣體的擠壓進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)量器，進(jìn)入容器中氣體體積等于標(biāo)準(zhǔn)量器中水的體積增加值。根據(jù)類似于PVTt裝置的原理［4］，即在某時間間隔 t內(nèi)氣體流入特定儲水容器的體積為V，測量容器內(nèi)氣體絕對壓力P和熱力學(xué)溫度T，用氣體狀態(tài)方程計算出氣體質(zhì)量。流經(jīng)被檢儀表的氣體質(zhì)量等于儲水容器的氣體質(zhì)量增加量，因此，可以計算出被檢表示值誤差。

2 計算公式

氣體質(zhì)量流量公式為

式中:qm為質(zhì)量流量;V1為開始檢測前，儲水容器及被檢表后管道閥門的氣體空間體積，m3;V2為氣體排出水的體積，m3;t為測量時間，s;P1，P2分別為測量開始前、后空氣的絕對壓力，Pa;T1，T2分別為測量開始前后空氣的熱力學(xué)溫度，K;Z為空氣壓縮系數(shù);R為氣體常數(shù);R=8.3144;M為空氣分子量。

3 氣體濕度變化實驗

3.1 壓縮空氣

壓縮空氣壓力0.4 MPa，在100.23 kPa，24.8℃時濕度為30.50%RH。選10 L量器，不同流量做實驗，觀察當(dāng)流量為1，2，6，10，16 L/min(0℃，1 atm為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))時，流入儲水容器 (體積約10 L)氣體濕度的變化。濕度測量選用0.2級標(biāo)準(zhǔn)濕度傳感器，向儲水容器充氣達(dá)到預(yù)定液位后，停止充氣，立即把進(jìn)入儲水容器的空氣放出，裝入一個密封內(nèi)置濕度傳感器的塑料袋中，濕度示值穩(wěn)定后，讀出濕度值和溫度值，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同流量儲水容器內(nèi)空氣的濕度變化

通過表1可以看出:環(huán)境溫度26.2℃，大氣壓100.23 kPa時，空氣 (相對濕度30.50%RH)以16 L/min的流量進(jìn)入裝滿水的容器中，當(dāng)氣體體積達(dá)到10 L，約37.5 s(加上操作時間，實際停留時間約1 min)后，空氣的相對濕度變?yōu)?0.05%RH(25.21℃);當(dāng)流量為1 L/min時，氣體體積達(dá)到10 L，約10 min后，空氣的相對濕度為81.49%RH(25.41℃)。水的蒸發(fā)速度非?？欤?6℃時1 min內(nèi)氣體的相對濕度從30.50%RH上升到80.05%RH，延長到10 min，濕度變化約2%RH。

3.2 高純氮氣

用高純氮氣代替壓縮空氣重復(fù)上述實驗，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同流量儲水容器內(nèi)氮氣的濕度變化

通過表2可以看出:環(huán)境溫度26.0℃，大氣壓100.20 kPa時，高純氮氣 (相對濕度接近 0)，以16 L/min的流量進(jìn)入裝滿水的容器中，當(dāng)氣體體積達(dá)到10 L，約37.5 s(加上操作時間，實際停留時間約1 min)后，氮氣的相對濕度為78.12%RH(25.10℃);當(dāng)流量為1 L/min時，氣體體積達(dá)到10 L，約10 min后，氮氣的相對濕度為79.58%RH(24.80℃)。由于水蒸發(fā)的影響，26℃時1 min內(nèi)氮氣的相對濕度從0上升到 78.12%RH，延長到 10 min，濕度變化約3%RH。

3.3 不同溫度的壓縮空氣

改變溫度，用壓縮空氣進(jìn)行上述實驗，空氣壓力0.4 MPa，在99.86 kPa，22.81℃時，濕度為26.30%RH，重復(fù)上述實驗，結(jié)果如表3所示。

表3 不同流量儲水容器內(nèi)空氣的濕度變化

通過表3可以看出:環(huán)境溫度23.0℃，大氣壓99.86 kPa時，空氣 (相對濕度26.3%RH)以16 L/min的流量進(jìn)入裝滿水的容器中，當(dāng)氣體體積達(dá)到10 L，約37.5 s(加上操作時間，實際停留時間約1 min)后，空氣的相對濕度為70.18%RH(23.10℃);當(dāng)流量為1 L/min時，氣體體積達(dá)到10 L，約10 min后，空氣的相對濕度為73.58%RH(23.28℃)。由于水蒸發(fā)的影響，23℃時1 min內(nèi)氣體的相對濕度從26.3%RH上升到70.18%RH，延長到10 min，濕度變化約4%RH。

結(jié)合上述三組實驗可以得出結(jié)論:水在密閉容器中，1 min內(nèi)蒸發(fā)速度很快，1 min后蒸發(fā)速度下降，1～10 min水蒸發(fā)的變化量不大，室溫23～26℃時，約(2～4)%RH;水的蒸發(fā)與溫度有關(guān)，溫度越高，1 min內(nèi)密閉容器內(nèi)氣體達(dá)到的濕度越高;對于1 min觀測時間來說，水的蒸發(fā)速度極快，以至于可以忽略進(jìn)入密閉容器氣體的濕度大小，不同濕度氣體進(jìn)入儲水容器內(nèi)1 min后濕度值基本接近。

4 濕度變化對置換法氣體小流量裝置的影響

使用置換法氣體小流量裝置時，氣體在儲水容器內(nèi)的停留時間一般超過1 min，溫度在23～26℃時，氣體濕度變化 (40～50)%RH。為了便于分析濕度變化對流量測量準(zhǔn)確度的影響，統(tǒng)一按最小變化量40%RH計算，假設(shè)儲水容器內(nèi)氣體壓力為110000 Pa，如果不考慮濕度變化，將對流量測量結(jié)果產(chǎn)生影響，如表4所示。

表4 濕度對流量測量的影響

通過表4可以看出:由于進(jìn)入儲水容器的氣體濕度增加，導(dǎo)致裝置測得的氣體質(zhì)量偏大，在23～26℃范圍內(nèi)超過1%;濕度變化對流量測量的影響隨溫度升高而加大。

5 問題的解決

由于氣體濕度變化，可以使裝置的測量誤差達(dá)到1%左右，如果不解決該問題，這種置換法氣體裝置將無法投入使用。主要有四種解決方法:采用飽和蒸汽壓低的油替換水，在線測量容器內(nèi)氣體的濕度，恒溫使用和氣水分離。用油替換水，仍然會受油蒸汽壓的影響，所以應(yīng)選擇飽和蒸汽壓小的油，此外由于油的粘度比水大，會增加標(biāo)準(zhǔn)量器溯源的難度。在線測量濕度采用一般傳感器準(zhǔn)確度很難達(dá)到要求，高精度傳感器價格較貴。恒溫使用要求每次測量期間環(huán)境溫度變化不超過0.3℃ (按該項不確定度分量不超過0.02%估算)，而且需要準(zhǔn)確測量壓縮空氣的濕度，比較麻煩。因此，選擇用氣球把水氣隔離的辦法，如圖2所示，被測氣體經(jīng)質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)流量后，流過被檢表，進(jìn)入氣球，測量氣球內(nèi)的溫度和壓力。該方法避免了水與被測氣體接觸，保證置換法氣體流量裝置內(nèi)氣體組分與被檢表內(nèi)流過的組分完全相同。

圖2 改造后的置換法氣體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

6 結(jié)論

濕度較低的氣體進(jìn)入裝水的密閉容器中，氣體的濕度將很快上升，氣體的組分因此改變，在使用、設(shè)計類似于本文置換法氣體小流量裝置時要考慮被測氣體組分變化，如氣體鐘罩反吹收集氣體時，應(yīng)考慮密封液體蒸發(fā)的影響。

［1］陳忠基，赫榮光.空氣濕度對音速文丘利噴嘴測量空氣流量的影響 ［J］.計量技術(shù)，1997(10):18－19.

［2］王兆新，李莉芝.流量計量中濕度影響分析 ［J］.自動化儀表，2009，30(9):77－78.

［3］向德華，周艷，李寧.一種置換法氣體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置［J］.計量學(xué)報，2012，33(5A):126－129.

［4］王池，王自和，張寶珠，等.流量測量技術(shù)全書 ［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012:647－653.