一种高精度小微气体流量发生器

/ 山东省计量科学研究院

0 引言

随着国家产业结构转型升级，节能环保意识和对产品质量要求的提高，小微流量的应用越来越多。例如：环保领域的粉（烟）尘采样器、安全生产领域中的压力容器检漏、太阳能领域的真空镀膜，实验室和企业使用的高精度小微流量计的量值溯源等，都需要进行小微气体流量测量。为了适应现有应用技术的需求，本设计研制了一种可测量小微流量且测量准确度高的小微气体流量发生器。

1 工作原理

气体流量发生器的核心组件为一竖直的活塞系统；活塞筒带侧孔，实际上等于上、下两个活塞，避免了工作活塞环（下活塞环）的开口直接与大气相通；当补偿容器中的气体通入腔体环形凹槽中，凹槽向上部份的微小泄漏量为无效值，不在计量中；采用补偿容器的流量测量方法，其作用是减小下活塞环两端压差，使流过下活塞环缝隙的流量尽可能小；利用金属活塞自重驱动活塞运行，以保证工作静压力的高度稳定。

2 装置结构

小微气体流量发生器的结构如图1所示。

上活塞环、下活塞环和活塞的间隙尽可能小，以确保从间隙泄漏的气体量少；活塞环与活塞表面均应足够光滑，保证活塞在自由悬浮状态下，其受到的竖直方向摩擦力与其重力相比尽可能小，可忽略不计。

激光位移传感器，测量活塞的行程，打开阀门9和流量调节阀10，活塞在重力作用下下行，计算活塞运行体积，从而计算流量Q，Q=V/t= πr2h/t，然后进行温度压力修正。

图1 发生器结构示意图

3 工作步骤

1）在流量调节阀关闭状态下，连通工作腔体与补偿容器，用洁净气源对系统缓缓充气，直至活塞升至最高点；

2）打开流量调节阀，调节至预定流量，然后切断补偿容器与工作腔体的气路；

3）用位移测量仪测量活塞下降的距离及所用的时间；

4）根据测量数据及活塞尺寸计算出发生器的输出流量。

4 设计解析

4.1 工作压力

流量发生器在工作状态下，活塞所受机械摩擦力忽略不计，处于自由悬浮状态，金属活塞的自重产生腔体的静压（工作压力）保持恒定。

式中：p0—— 工作压力（工作腔体中的）；

m—— 活塞的质量；

g—— 重力加速度；

A—— 活塞的有效面积；

ρk—— 空气密度；

ρm—— 活塞材料密度；

f—— 活塞筒与活塞之间的机械摩擦力（≈0）

4.2 流量平衡

在工作状态下（工作腔体与监视流量计之间的截止阀打开，补偿容器与洁净气源之间截止阀以及工作腔体与洁净气源之间的截止阀关闭），工作腔体与外界流量交换，共有三股流量：

式中：Qout—— 流量调节阀输出流量；

QΔp—— 由于活塞与活塞筒之间存在缝隙和压差而产生向上的流量，称为差压流量；

Qn—— 流量调节阀打开时，活塞因自重而向下运动，同时输出流量。由于气体与活塞之间存在黏滞摩擦力而产生的随活塞向下的流量，简称剪切流量；

v—— 活塞的运动速度；

Ap—— 活塞的截面积

速度v通过高精度非接触位移测量仪测量位移和时间得到；活塞的截面积可用高精度几何测量方法得到；vAp是发生器输出流量的指示值；Qout是其实际值（未知）。输出流量测量的准确度与位移测量、时间测量和活塞截面积测量有关，活塞的圆度和圆柱度也影响活塞截面积的准确度。

发生器的流量误差为：ΔQ=QΔp-Qn，发生器的流量误差与压差流量和剪切流量相关。

4.3 补偿过程

补偿容器补偿过程的结构如图2所示。

1）测量开始时，补偿容器与工作腔体压力相等

Δp下= 0；Δp上=p0

式中：Δp下—— 下活塞环两端压差；

Δp上—— 上活塞环两端压差

图2 补偿容器补偿过程的结构示意图

2）开始后，发生器开始输出流量，活塞以速度v下降

（1）由于上活塞环两端存在压差，补偿容器中的气体排放到大气中

式中：ε=e/δ；

e—— 偏心距；

δ—— 无偏心时的环形缝隙值；

μ—— 动摩擦因数；

d—— 孔口的直径；

l—— 活塞环的轴向长度

（2）同时，由于空气存在黏性，形成由上向下的剪切流量：

由于Qn上＜＜QΔp上，故补偿容器中的压力逐渐减小，在下活塞环两端形成差压Δp下，于是下活塞环中也存在两股流量。

（3）由于下活塞环两端存在压差，从腔体中气体流向补偿容器的流量：

（4）由于空气存在黏性，引起下活塞环中由上向下（从补偿容器流向腔体）的剪切流量：

当活塞系统的尺寸、工作压力、输出流量确定后，QΔp下与补偿容器的容积大小有关。当时，则发生器的流量误差：

即发生器输出流量指示值vAp无限接近流量实际值Qout，发生器即为高精度小微气体流量发生器。

5 结语

本发生器设计采用了自动补偿系统，实现高精度小微气体流量输出，保证发生器工作腔体工作压力的稳定度。为了实现这一目的，因此需要对活塞系统进行精密研磨，减小其机械摩擦力；达到尽可能高的活塞圆度和圆柱度；利用活塞自重驱动活塞运动，避免外力干扰；采用高精度位移测量仪，如激光位移传感器、光电位移传感器、光栅尺等；采用补偿容器减小通过下活塞环间隙的流量。

活塞缸体可为三个不同有效容积的套筒，流量分别为：（1～10，10～100，100～1 000） mL/min；介质采用空气或者氮气，温度控制在（20±2）℃，湿度控制在（55～75）%RH，实现不同压力下的试验；发生器工作过程全自动化，实现数据采集、图像显示和报表生成等功能。