置换法气体流量标准装置的研究

王锐刚，赵金燕，胡 波，黄 勇

（1.云南农业大学 基础与信息工程学院，云南 昆明 650201；2.云南省计量测试技术研究院 云南 昆明 650228）

气体流量计量广泛用于贸易结算、能源计量、过程控制、环境保护等方面。而气体流量计流量的溯源核心就是气体流量标准[1]。特别是近年来能源资源的全球匮乏，全社会对流量计量的要求越来越高，气体流量标准的研究对建立资源节约型社会和节能型工业具有十分重要的意义。

我国的气体流量标准研究水平和发达国家相比相对落后，常用的气体流量标准为0.5级钟罩式气体流量标准和0.5级皂膜气体流量标准，对于大量作为标准使用的0.2级、0.5级气体流量计无法校准。如何有效校准高精度气体流量的标准研究迫在眉睫。

1 国内外同类研究现状分析及存在的问题

目前我国国内准确度等级最高的气体小流量标准装置为重庆市计量质量检测研究院的200 L活塞式气体流量标准装置，准确度0.05级，流量测量范围(0.01～6)m3/h，该装置于90年代从日本进口，由于结构复杂，机械加工精度要求高，价格昂贵，限制了该标准的大量生产，使得这种计量方法无法广泛使用[2]，目前国内科研机构、计量部门大量使用气体流量标准为0.5级钟罩气体流量标准和0.5级皂膜气体流量标准，气体流量的标准总体水平较低[3]。据国外相关资料报道，荷兰计量技术研究院建立了低压动态置换气体原级标准装置的荷兰国家基准，由500 L钟罩提供（1～4）m3/h的流量。

我国尚未开展用液体置换法的气体流量标准的研究。目前采用的气体流量标准装置对于小流量气体计量准确度低，并且校准费用大，对高精度的气体流量计无法校准。

基于目前气体小流量标准装置存在的问题，建立置换法气体流量标准装置，满足社会提高气体流量精密检测技术的要求，为企业节能降耗提供手段，具有十分重要的意义。

2 液体置换法气体流量装置的设计

2.1 置换法的设计理论依据

根据流体力学知识，当普通流体不可压缩，密度为常数，且流动是恒定的时候，可视为理想流体看待。而理想流体流动时流过任意不同截面时满足质量守恒和机械能守恒定律，即满足流体力学的连续性方程和伯努利方程。

实际流体具有粘性，在流动过程中要克服流体与管壁以及流体内部的相互摩擦阻力而作功，这将使流体的一部分机械能转化为热能而耗散[4]。因此，实际流体的伯努利方程可写为：

hwg—截面Ⅰ和截面Ⅱ之间单位质量实际流体流动产生的能量损失。

2.2 置换法的设计原理

图1为圆柱形带外伸管嘴容器，管嘴长L＝（3～4）d，d为管嘴直径，列出液面1-1至出口断面2-2的伯努利方程

图1 置换法的设计理论图Fig. 1 The design theory of replacement method

能头损失hr由1-1至c-c面之间局部收缩损失，c-c断面后的局部突然扩大损失和管嘴的沿程能头损失组成：

公式中CV短管流速系数；取C=CV，C称为短管流量系数

取各系数值[5]代入公式（3）计算短管流量系数,结果为C=0.82。

根据连续方程

从公式（4）推导可知只要测出流出容器的液体体积就可知道流过的气体体积,根据以上理论设计出了置换法气体流量标准装置。

2.3 置换法的工作原理

置换法气体流量校准是将被校流量计、密封标准容器和标准容器用管路连接起来，液体以一定流量流入标准量器，测出流入标准容器的液体流量，并与被校流量计的示值进行比较，从而检测被测的气体流量计。下面以图2所示来说明校准过程。

图2 置换法的工作原理图Fig. 2 The schematic diagram of replacement method

首先关闭阀4和阀5，打开阀1和阀2，用水泵将标准密封容器装满水，关闭阀1和阀2，打开阀3，根据被校流量范围分别选用小流量调节阀4或大流量调节阀5、阀6调到流量检定点，开始计时,这时标准密封容器的水流入标准量器,同时分别记录被校流量计前和密封容器内的温度、湿度和压力，当水可以从标准量器液位读出时，记录时间t和标准体积Vs，由于是校准气体流量计，必须对流动气体的温度、压力、湿度加以修正，被校流量计为转子流量计[6]根据下式计算出通过被校气体流量计的标准刻度流量qSN。

式中Vs——流入标准量器的液体体积；

t——液体流入标准量器的时间；

PN、Ps、Pm——分别为标准状态下、标准密封容器内和流量计前的气体绝对压力；PN=101325 Pa 。

TN、Ts、Tm——分别为标准状态下、密封容器内和流量计前的气体热力学温度；TN=293.15 K 。

表1 标准金属量器不确定度分析Tab.1 The uncertainty analysis of standard metal container

分析检定结果表明：置换法气体流量标准装置的扩展不确定度为U=0.09%（k=2），达到本课题设计U=0.15%（k=2）的要求。

PDs、PDm——分别为标准密封容器内和流量计前水蒸气压力。

被校流量计为其他气体流量计根据下式计算出通过被校气体流量计的实际流量qs。

2.4 气体流量装置的样机

图3 装置样机图Fig. 3 The equipment prototype figure

装置的样机如图3所示。管路设计参数分别是：管内径d=0.032 m，管道长度l=1.5 m，流量Q1=130 L/min,Q2=45 L/min，水温T=20 ℃，装置管路采用PVC材质，绝对粗糙度K=0.02 mm。

2.5 检定结果分析

测量不确定度是评定测量质量的一个重要指标，也是评定测量设备能力的基本指标[7]。根据JJF1059-1999[8]及自行设计的气体流量标准装置样机的实际情况进行分析。

检定方法：采用静态容积法，选用标准金属量器。检定时，注入水至气体标准装置内的上液位并读数，再放水至标准量器或称重容器，读取气体标准装置的下液位读数，通过读取标准量器或衡器的示值和水的密度值，并进行温度修正，即可得到上下液位之间标准密封容器的容积值。标准金属量器不确定度分析如表1所示。

建立数学模型：考虑温度的影响，则有：

上式中：VS——标准量器20℃时标称容量刻度线处的实际容量值，L；

V20——被检装置液位高差△ 对应的20℃容量值，L；

I——被检装置分度容积值；mL/mm；

Δh——被检液位高差，mm；

βs——标准量器的体胀系数；℃-1

βm——被检量器的体胀系数；℃-1

βw——水的体胀系数；℃-1

θs——标准量器的水温；℃

θm——被检量器的水温，℃

3 结束语

置换法气体流量装置具有操作方便、稳定性高、重复性好等优点，用置换方法标准气体校准流量计，符合国家量传系统表中流量计的溯源。置换法气体流量装置校准1 L/min以下小流量气体流量计采用的是高液位负压法，由于流量计前为大气，液体流出时有小口径短管控制，无需加泵靠液体自流就可达到恒压，计算和操作相对简单。置换法流量标准装置校准较大流量时采用泵产生恒定流量，从而达到恒压，使流量点的调节易于控制。置换法流量标准装置在流量量传体系中将起到重要作用，特别是在高准确度小流量测量方面具有优势。

[1]周伟华.浅谈流量计量的意义[J].计量与测试技术, 2008,35(8):85-86.

ZHOU Wei-hua. Discussion on the significance of flow measurement [J]. Measurement and Test Technology, 2008, 35(8):85-86.

[2]徐英华.浅谈气体流量标准装置的发展状况[J].现代测量与实验室管理, 2004, 11(2): 7-8.

XU Ying-hua. The present development of gas flow standard device[J]. Modern Measurement and Laboratory Management,2004,11(2):7-8.

[3]王自合.气体流量标准装置[M].北京:中国计量出版社.2005.

[4]刘建军.流体力学[M].北京:北京大学出版社.2006.

[5]段慧明.液体流量标准装置和标准表法流量标准装置[M].北京:中国计量出版社, 2004.

[6]JJG中华人民共和国国家计量检定规程[S].转子流量计.1994.

[7]王池.流量测量不确定度分析[M].北京:中国计量出版社,2002.

[8]李慎安.JJG1059—1999测量不确定度的评定与表示[M].北京:中国计量出版社, 1999.