摘 要: 為了滿足人們對不同濃度標準氣體的需求，金屬管浮子流量計應運而生。金屬管浮子流量計主要由熱式質量流量計組成，熱式質量流量計控制流量的精度直接影響著配出氣體濃度的準確度。本文詳細介紹了皂膜式氣體流量標準裝置校準金屬管浮子流量計的過程。

 

    引言

    金屬管浮子流量計是將高濃度標準氣體按照設定的稀釋比例，通過高精度的熱式質量流量控制器控制，非常終輸出所設定的低濃度混合氣體的一款儀器。金屬管浮子流量計普遍適用于環境監測、科學研究、生物制藥、質量監督等場所，也可與氣體分析測試類儀器配合使用，或者用于對這些儀器進行計量校準。 

 

    1 金屬管浮子流量計的組成

    金屬管浮子流量計一般由機箱、液晶面板、管路、電路控制部件等組成，其中管路一般分為稀釋氣( 零氣) 口、通道 1 口、通道 2 口、混合氣口、廢氣口五大部分組成，其中稀釋氣( 零氣) 口、通道 1 口、通 道 2 口大多分別由三個熱式質量流量控制器( 熱式

質量流量計) 組成三個入氣通道，混合氣口、廢氣口大多分別由兩個浮子流量計組成兩個出氣通道。

 

    其中，三個熱式質量流量控制器的流量精度直接影響配氣儀的配出氣體濃度的準確度，所以定期對配器儀的流量控制器進行流量校準顯得尤為重要。 

 

    2 熱式質量流量計的原理

    熱式質量流量計( Thermal Mass Flowmeters，簡 稱 TMF) 在國內也稱為量熱式流量計。是通過測量氣體流經流量計內加熱元件時的冷卻效應來計量氣體流量的。氣體通過的測量段內有兩個熱阻元件，其中一個作為溫度檢測，另一個作為加熱器。溫度傳感元件用于檢測氣體溫度，加熱器則通過改變電流來保持其溫度與被測氣體的溫度之間有一個恒定的溫度差。當氣體流速增加，冷卻效應越大，使須保持熱電阻間恒溫的電流也越大。此熱傳遞正比于氣體質量流量，即供給電流與氣體質量流量有一對應的函數關系來反映氣體的流量。 

 

    3 校準方法

    3. 1 校準用氣體流量標準裝置

    校準金屬管浮子流量計流量一般可采用皂膜式氣體流量標準裝置( 主要由皂膜管和配套儀表組成)和活塞式氣體流量標準裝置。標準裝置應有有效的檢定證書或校準證書，并且其擴展不確定度( k = 2)應不大于金屬管浮子流量計流量非常大允許誤差絕對值的三分之一。本文以皂膜式氣體流量標準裝置為例進行詳細介紹。 

 

    3. 2 配套儀表( 如表 1 所示)

 

 

    3. 3 校準氣體

    校準氣體應無游離水或油等雜質存在，且組分或性狀與實際測量介質相近，校準金屬管浮子流量計的流量采用高壓氮氣瓶的氮氣作為氣源非常為合適。 

 

    3. 4 校準環境

    環境溫度應為( 5 ～ 40) ℃ ; 大氣壓力一般為( 86 ～ 106) kPa。 

 

    3. 5 金屬管浮子流量計安裝( 如圖 1 所示)

    其中被校金屬管浮子流量計有三個入氣口，分別為稀釋氣( 零氣) 口、通道 1 口、通道 2 口，需分別連接進行依次進行校準，出氣口連接混合氣口，并且將廢氣口關閉。以校準稀釋氣( 零氣) 口流量為例，圖1 中5處的被校金屬管浮子流量計的入氣口( 圖 1 中 4 后) 接稀釋氣( 零氣) 口，出氣口( 圖1 中6 前) 接混合氣口。

 

 

    3. 6 流量校準

    3. 6. 1 密封性檢查

    在流量校準之前，需要做密封性檢查。按 3. 5和金屬管浮子流量計使用說明書的要求，安裝好配氣儀到標準裝置上，在零流量狀態下，觀察壓力測量儀表示值不變。 

 

    3. 6. 2 流量標定界面

    通過密封性檢查，就可以進一步校準金屬管浮子流量計的流量。國產動態氣體校準配儀一般會有一個設置界面，里面有一個流量標定的界面，以圖 2 的標定界面為例，進行流量的校準和標定。各通道的流量校準都是在這個界面完成的。 

 

    3. 6. 3 校準流量點

    根據 JJG 1132 － 2017《熱式氣體質量流量計檢定規程》，金屬管浮子流量計校準流量點一般選擇qmax、0. 5qmax、qt、qmin ( 其 中 qt 為 分 界 流 量，一 般 取0. 2qmax ) 。金屬管浮子流量計的稀釋氣( 零氣) 口一般采用( 0. 2 ～ 4) L /min 的熱式質量流量計; 而通道 1口和通道 2 口則一般都采用( 0. 1 ～ 2) L /min 的熱式質量流量計，稀釋氣( 零氣) 口的量程一般是通道 1 口、通道 2 口量程的 2 倍。以校準稀釋氣( 零氣) 口的流量為例，則流量點一般選擇 4L /min、2L /min、 0. 8L /min、0. 2L /min。每個流量點校準次數為 3 次。

 

 

    啟動氣源，打開閥門，將 4L /min 流量點輸入到圖 2 設定流量一欄中，設定好后金屬管浮子流量計自動啟動熱式質量流量控制器，氣流會以設定流量穩定通過配氣儀再經過皂膜式氣體流量標準裝置。

 

    運行至氣體狀態穩定，用皂膜起泡器打好皂膜，試運行數次; 接著計量器清零; 再接著用皂膜起泡器打好皂膜，當皂膜升到下刻線時，同時啟動計量器;當皂膜升到上刻線時，同時停止計量器。記錄下計量器的時間、流過皂膜管的氣體累積流量、溫度、壓力等參數。這樣就完成非常好個流量點的一次校準。

 

    重復以上過程至少兩次，完成非常好個流量點的校準。按校準流量點設定流量，重復下一流量點的校準。重復以上過程，依次完成4L/min、2L/min、0. 8L/min、 0. 2L/min 所有流量點的校準。

 

    其中，以圖 2 中實測流量那一欄的流量作為儀器流量，皂膜式氣體流量標準裝置 3 次分別測出來的流量取平均作為標準流量。如果標準流量值與儀器流量偏差超過了儀器的非常大允許誤差，則需對配氣儀進行標定。 

 

    3. 6. 4 流量標定及校準

    以稀釋氣( 零氣) 口為例，在圖 2“氣體種類”、“系數”分別輸入 N2、28。先將圖 2 “零點”和 “斜 率”分別改為 0. 0000 和 1. 000; 然后就選取 qmin、qmax流量點 即 0. 2L /min、4. 0L /min 進行流量點測量。測量結果處理參考表 2。

 

 

     利用兩元一次方程 Y = KX + C，式中: Y—設定流量; X—測量結果平均值。如表 2，A1 ～ A3 分別為設定流量點 0. 2L /min 的三次實測流量值，A 為這三次實測 值 的 平 均 值; B1 ～ B3 分別為設定流量點4. 0L /min 的三次實測流量值，B 為這三次實測值的平均值。

 

    例如實測 A1 = 0. 2012L/min、A2 = 0. 2005L/min、A3 =0. 2008L/min 則 A = 0. 2008L/min; B1 = 4. 010L/min、 B2 = 4. 014L/min、B3 = 4. 013L/min，則 B = 4. 012L/min分別代入方程 Y = KX + C，可以求得新的斜率 K = 0. 997 和零點 C = 0. 0001，將結果輸入到圖 2 的“零 點”和“斜率”。這個過程為完成一個流量點的流量標定。標定完成后返回重新測量三次，再計算平均值，該值即為實測流量值，這樣就完成一個流量點的校準。重復以上操作可以進行其他流量點其他通道的標定及校準。 

 

    4 小結

    金屬管浮子流量計在環境監測和質量監督等場所運用越來越廣泛，人們對一定區間范圍內任意不同濃度的氣體需求也越來越多，可見，金屬管浮子流量計的重要性更顯突出。然而，人們對這類儀器的計量溯源，普遍處于空白狀態。文章簡單介紹金屬管浮子流量計的主要構成及主要部件的工作原理，并且詳細的講解金屬管浮子流量計的皂膜式氣體流量標準裝置流量校準法的校準，通過流量校準可以保證金屬管浮子流量計配制低濃度氣體的準確可靠。