皂膜流量计标准容积标定方法的探讨*

蔡　勤　黄湘来　刘敦利

(新疆计量测试研究院，乌鲁木齐 830011)

0　引言

皂膜气体流量标准装置的测量原理是由稳定气源流出的气体经过被检流量计进入皂膜流量计，然后挤压胶球产生皂膜，用秒表测量皂膜经过两刻线之间的时间，从而计算出气体的瞬时流量。因此，瞬时流量的准确计量来源于皂膜流量计两刻线之间的容积和测量时间两个因素。

现在普遍应用的光电检测技术取代了传统的秒表计时方法[1]。在皂膜流量计的零刻度和满量程刻度位置分别安装一对光纤传感器，在正常工作时每对光纤传感器发送和接收微弱光信号，当皂膜通过传感器时，光信号突变加强，电脑系统软件感应到这一信号突变开始计时或者停止计时，从而准确计算出皂膜通过时间，准确度达到10-6s数量级，误差几乎可以忽略不计。由此，皂膜流量计标准容积的示值误差决定了衡量皂膜气体流量标准装置准确度等级[2-4]。

JJG 586—2006《皂膜流量计》检定规程中规定的方法是采用天平称量皂膜流量计刻度线内蒸馏水的质量，从而计算出容积的示值误差[5]。这其中影响误差的因素有：蒸馏水温度变化、蒸馏水蒸发量、环境温度、天平的准确度等级、容器自身重量等，对于大量程的皂膜流量计可以忽略，但是对于10～100mL小量程的皂膜流量计却影响很大，不能忽略，甚至决定了皂膜流量计标准容积标定的准确度。因此，如何避免或尽量消除上述因素对标定结果的影响，准确标定出皂膜流量计的标准容积成为一个重要研究内容[6-8]。

本文尝试采用三种不同的实验方法，即分别采用敞口玻璃烧杯、轻质矿泉水瓶、密封的轻质塑料杯作为称量容器，对同一个皂膜流量计进行容积标定，计算示值误差和重复性，以此探讨和分析标定结果[9]。

1　实验方法

实验依据检定规程，采用质量称重法标定，即首先将皂膜流量计注满标准容积值的蒸馏水，在规定时间内使蒸馏水流入容器，用天平称量容器中蒸馏水的质量，进而计算出蒸馏水的体积、容积误差、重复性等数据，以此确定皂膜流量计的准确度等级[5]。被标定皂膜流量计的标准容积是25mL，准确度等级为0.5级。标定采用的主标准器为电子天平，准确度等级为Ⅰ级，测量范围0.1～500g，分度值0.1mg，在0.1～50g范围内，最大称量误差±0.5mg；在50～100g范围内，最大称量误差±1.0mg，属于目前最高等级的天平，完全满足标定要求。

由于影响蒸馏水质量的关键因素在于容器，所以选择三种不同的容器进行实验，分别为100mL敞口玻璃烧杯、50mL切割后轻质矿泉水瓶和25mL密封的轻质塑料杯。为得到充分的实验数据，每种方法均在重复性条件下标定6次。

2　实验过程

2.1　玻璃烧杯实验

采用100mL玻璃烧杯作为称量容器，自身重量约52g，实验过程中蒸馏水平均温度23.5℃，密度取0.9974215g/cm3。一次实验中从开始到完成水温变化0.4℃，满足检定规程中小于0.5℃的要求。实验得到的6次标定数据见表1。

表1　采用玻璃烧杯作容器的标定结果

2.2　矿泉水瓶实验

为了尽量消除玻璃杯敞口和较重的影响因素，实验采用切割过的轻质矿泉水瓶作为称量容器，有效容积约50mL，敞口面积约为烧杯的一半，自身重量约3g。实验过程中蒸馏水平均温度23.4℃，密度取0.9974456g/cm3，温度变化0.3℃。实验结果见表2。

表2　采用矿泉水瓶作容器的标定结果

2.3　塑料杯实验

为了进一步消除蒸馏水蒸发和温度变化对标定结果的影响，采用25mL密封的轻质塑料杯作为称量容积，自身重量约11g。实验过程中蒸馏水平均温度23.3℃，密度取0.9974697g/cm3，温度变化0.1℃。实验结果见表3。

表3　采用塑料杯作容器的标定结果

3　实验结果

由于皂膜流量计的准确度等级为0.5级，最大允许误差±5%，重复性小于0.25%。所以，第一种采用敞口烧杯作称量容器的实验方法得到的示值误差和重复性分别为-0.63%和0.33%，均满足不了要求，标定不合格。第二种采用矿泉水瓶作称量容器的实验方法得到的示值误差和重复性分别为-0.48%和0.27%，示值误差满足要求，重复性略大，但还是满足不了要求，标定不合格。第三种采用密封的轻质塑料杯作称量容器的实验方法得到的示值误差和重复性分别为-0.19%和0.08%，均满足要求，标定合格。

对比三种实验结果，可以看出，第三种标定方法得到的示值误差为另外两种方法标定结果的1/3和1/2，重复性是另外两种方法的1/4和1/3，充分说明了采用密封的轻质塑料杯是理想的称量容器，对皂膜流量计标准容积的准确标定起到重要的作用。

4　结论与讨论

第一种方法中，玻璃烧杯开口较大，会造成蒸馏水在实验过程中蒸发和温度变化，影响标定结果；同时，玻璃材质传热快，使得蒸馏水容易受外界温度影响；玻璃烧杯自身重量超过50g，导致称量结果误差增大。第二种方法中，轻质矿泉水瓶敞口较小，减少了实验过程中蒸馏水的蒸发量和温度变化，且自身重量小，不影响称量结果误差。但塑料材质较差，瓶壁薄，使得蒸馏水更容易受外界温度影响。第三种方法中，塑料杯密封，避免蒸馏水蒸发，塑料材质好，避免外界温度对蒸馏水的影响，保证蒸馏水温度恒定，且自身重量轻，不影响称量误差，得到了较为理想的结果，达到了研究的目的。

皂膜气体流量标准装置在检校小流量气体流量仪表中发挥重要的作用，是量值传递和溯源的重要环节。影响皂膜气体流量标准装置准确度等级的因素有皂膜流量计标准容积和时间两个方面，时间计量采用新的计时器方式，准确度远远高于要求，所以只能尽可能提高皂膜流量计标准容积的准确度。本文分别采用敞口玻璃烧杯、轻质矿泉水瓶和密封的轻质塑料杯作为称量容器进行同一个皂膜流量计的标准容积标定，得到了不同的标定结果。实验表明，容器的敞口程度、自身重量、材质和壁厚等因素影响了标定结果的准确度，从这些角度出发，采用密封的、塑料材质的、轻质的容器能够有效避免以上影响因素，从而取得理想的标定结果。

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