活塞式玻璃體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置試驗(yàn)驗(yàn)證

張毅治，于華偉

(中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

近幾年來，隨著新工藝和新技術(shù)的突破，特別是微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的迅速發(fā)展，氣體小流量的測量得到廣泛應(yīng)用［1-2］。尤其在航空航天技術(shù)、半導(dǎo)體制造業(yè)、真空鍍膜技術(shù)、生物工程、精細(xì)化工、新興能源、環(huán)境監(jiān)測等眾多領(lǐng)域，氣體小流量控制和測量至關(guān)重要。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)、德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)、日本國家計(jì)量院(NMIJ)、意大利IMGC等機(jī)構(gòu)也都建立了相應(yīng)的氣體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置［3-4］。在國內(nèi)，中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，承擔(dān)了在“十一五”科研項(xiàng)目，并成功研制了氣體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置［5］。目前，該裝置已順利開展了氣體流量計(jì)的校準(zhǔn)工作，并在多家計(jì)量機(jī)構(gòu)得到了推廣和應(yīng)用。在2014年，JJF 43-2014《活塞式玻璃體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范》正式出版［6］。筆者根據(jù)該校準(zhǔn)規(guī)范對(duì)某計(jì)量機(jī)構(gòu)的氣體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行了現(xiàn)場標(biāo)定試驗(yàn)和驗(yàn)證。

1 裝置介紹

該裝置主要由氣源、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、活塞式流量測量標(biāo)準(zhǔn)器、流量計(jì)實(shí)驗(yàn)段、管路系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制處理系統(tǒng)組成。氣源采用氣瓶供氣，主標(biāo)準(zhǔn)器采用兩臺(tái)不同流量范圍的玻璃管活塞裝置并聯(lián)使用，采用光電開關(guān)測量活塞位移［7］。實(shí)現(xiàn)流量范圍分別為:0.1～1 L/min和0.5～10 L/min。

圖1為氣體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)框圖，其原理為:氣瓶內(nèi)高壓的氣體通過減壓閥減壓在穩(wěn)壓罐內(nèi)形成0.3 MPa穩(wěn)壓氣源，通過流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。當(dāng)球閥1，2關(guān)閉，球閥3打開時(shí)，穩(wěn)定的氣流連續(xù)地通過被校流量計(jì)進(jìn)入大氣;當(dāng)球閥1或2打開，同時(shí)關(guān)閉球閥3時(shí)，氣流連續(xù)通過被校流量計(jì)和活塞式主標(biāo)準(zhǔn)器。

圖1 氣體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)框圖

活塞采用水銀環(huán)進(jìn)行密封，氣流通過活塞式主標(biāo)準(zhǔn)器時(shí)，推動(dòng)活塞移動(dòng)，活塞的位移由光電開關(guān)測量，玻璃體積管的橫截面積已經(jīng)過精確測量。在一定的測量時(shí)間內(nèi)，流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)器的氣體體積流量的表達(dá)式為:

式中:q為標(biāo)準(zhǔn)體積流量，L/min;V為標(biāo)準(zhǔn)體積，L;S為活塞截面積，dm2;L為活塞位移，dm;t為測量時(shí)間，s。

流量測量的準(zhǔn)確度是依靠準(zhǔn)確測量玻璃體積管截面積和活塞位移來保證的。同時(shí)測量氣體的溫度、壓力，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)流量進(jìn)行溫度、壓力修正。通過標(biāo)準(zhǔn)流量與被校流量計(jì)的指示流量相比較，得到被校流量計(jì)的誤差，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的校準(zhǔn)。整個(gè)校準(zhǔn)過程由計(jì)算機(jī)控制完成，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化校準(zhǔn)。

2 校準(zhǔn)規(guī)范的實(shí)施

目前國內(nèi)已開始大量使用活塞式玻璃體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，2014年JJF 43-2014《活塞式玻璃體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范》的正式出版規(guī)范了該裝置的校準(zhǔn)方法。該規(guī)范適用于流量范圍為0.003～10 L/min的活塞式玻璃體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)，并給出了校準(zhǔn)條件、校準(zhǔn)項(xiàng)目及校準(zhǔn)方法、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理等。其校準(zhǔn)項(xiàng)目主要包括計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)容積值測量、密封性試驗(yàn)、壓力波動(dòng)試驗(yàn)、溫度波動(dòng)試驗(yàn)和流量范圍驗(yàn)證等。

3 標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證

本試驗(yàn)是在環(huán)境溫度為24℃，空氣濕度為66%的條件下進(jìn)行的，試驗(yàn)主要使用的標(biāo)準(zhǔn)器具詳見表1。

表1 標(biāo)定試驗(yàn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)器具

依據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范，應(yīng)用頻率計(jì)對(duì)體積管最短時(shí)間間隔進(jìn)行了測量;應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)組和內(nèi)孔儀測量了體積管的橫截面積;應(yīng)用激光干涉儀測量了光電開關(guān)的距離。根據(jù)上述試驗(yàn)的結(jié)果可以計(jì)算體積管的標(biāo)準(zhǔn)容積值，確保容積值和測量時(shí)間的準(zhǔn)確度。

表2 標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表2可以得到，該裝置具有良好的計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度和密封性，其溫度波動(dòng)和壓力波動(dòng)在允許的范圍內(nèi)［6］，流量穩(wěn)定。

4 不確定度分析

在上述標(biāo)定試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)裝置的不確定度影響因素進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)學(xué)模型，最終可確定影響標(biāo)準(zhǔn)流量值q的測量不確定度因素，如表3所示。

表3 不確定度影響因素

經(jīng)過計(jì)算，該標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度Ur優(yōu)于0.5%，k=2。

5 結(jié)論

活塞式玻璃體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的氣源壓力穩(wěn)定、流量連續(xù)可調(diào)，其精密的水銀環(huán)密封技術(shù)可靠，整套裝置具有精度高、量程比寬、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)具有良好的優(yōu)越性，可替代傳統(tǒng)裝置開展氣體熱式質(zhì)量流量計(jì)、浮子流量計(jì)、皂膜流量計(jì)和泄漏計(jì)等氣體小流量的校準(zhǔn)工作。JJF 43-2014《活塞式玻璃體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范》的實(shí)施完善了氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)的溯源鏈，為活塞式玻璃體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)提供了有力依據(jù)。

［1］王文林.活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定控制系統(tǒng)的研究［D］.北京:中國計(jì)量學(xué)院，2012.

［2］張永勝，劉彥軍.干活塞氣體流量校準(zhǔn)裝置數(shù)值模擬［J］.計(jì)測技術(shù)，2012，32(1):22-25.

［3］NIST Calibration Services for Gas Flow Meters［Z］.NIST Special Publication，250-49.

［4］AutomatedGalssTubePrimaryStandard［Z］.Flow Dynamics，InC.

［5］張永勝，白銀.被動(dòng)活塞式氣體流量主標(biāo)準(zhǔn)器［J］.宇航計(jì)測技術(shù)，2011，31(1):67-70.

［6］國家國防科技工業(yè)局，JJF 43(軍工)-2014活塞式玻璃體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范［S］.北京:國家國防科技工業(yè)局發(fā)行部，2014.

［7］張永勝，趙艷琴，董磊.水銀環(huán)密封技術(shù)在被動(dòng)活塞式主標(biāo)準(zhǔn)器的應(yīng)用［J］.工業(yè)計(jì)量，2010(S1):76-77，107.