pVTt法、鐘罩法、音速噴嘴法標(biāo)定氣體羅茨流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的標(biāo)定方法，無論是對(duì)于流量計(jì)的制造，還是對(duì)流量計(jì)的使用都是十分必要的，結(jié)合氣體流量計(jì)靜態(tài)參數(shù)的現(xiàn)有標(biāo)定方法，提出了一種滿足上述新型氣體流量計(jì)的標(biāo)定方法。
傳感器是流量計(jì)的核心部件，是獲取原始信息的重要裝置。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，傳感器為控制系統(tǒng)提供被控參量的信息，是自動(dòng)化裝置中的“環(huán)節(jié)”。傳感器的研發(fā)、性能評(píng)定和使用始終是人們關(guān)注的熱點(diǎn)，氣體流量計(jì)也是如此。
對(duì)氣體流量計(jì)的標(biāo)定其實(shí)是對(duì)其傳感器的標(biāo)定。傳感器在制造、裝配完畢后必須對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，以保證量值的準(zhǔn)確傳遞。傳感器在使用一段時(shí)間或經(jīng)過修理后，也必須對(duì)其主要技術(shù)指標(biāo)再次進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，以確保其性能指標(biāo)達(dá)到要求。傳感器的標(biāo)定，就是通過試驗(yàn)確立傳感器的輸入量與輸出量之間的關(guān)系。傳感器的標(biāo)定有靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定兩種。靜態(tài)標(biāo)定的目的就是確定傳感器靜態(tài)指標(biāo)，主要是線性度、重復(fù)性和精度等。動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的就是確定傳感器動(dòng)態(tài)指標(biāo)，主要是時(shí)間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。
傳感器輸出曲線的靜態(tài)特性如圖1所示。圖1中，x軸代表傳感器的輸入量，y軸代表傳感器的輸出量。直線1代表傳感器待校準(zhǔn)曲線按*小二乘法擬合的直線，以便于研究線性關(guān)系；曲線2、3、4為傳感器的輸出曲線，即校準(zhǔn)曲線。ΔRmax為傳感器的重復(fù)性誤差，ΔLmax為傳感器的非線性誤差。
氣體流量計(jì)的性能指標(biāo)主要為重復(fù)性、線性度和精度。下面對(duì)這三種靜態(tài)指標(biāo)進(jìn)行分析。
1.1 重復(fù)性
檢測(cè)時(shí)一般選取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每一點(diǎn)重復(fù)測(cè)量3次，可得到3條輸出曲線，獲得系列值yi1、yi2、yi3，*大值與*小值之差作為重復(fù)性誤差ΔRi，在3個(gè)ΔRi中取*大值ΔRmax作為重復(fù)性誤差，則重復(fù)性γR以滿量程yFS輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即：
1.2 線性度
圖1中直線1為按*小二乘法擬合的輸出曲線，以便于研究線性關(guān)系。yi1、yi2、yi3*大值與擬合直線之差作為非線性誤差ΔLi，在3個(gè)ΔLi中取*大值ΔLmax，則線性度γL以滿量程yFS輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即
1.3 靈敏度
傳感器輸出量的變化量Δy與引起該變化量的輸入變化量Δx之比即為靜態(tài)靈敏度。圖1中，擬合直線的斜率即為傳感器的靈敏度，其表達(dá)式為：
2 靜態(tài)標(biāo)定裝置的分析
氣體流量標(biāo)定裝置可以分為原級(jí)標(biāo)定和次級(jí)標(biāo)定兩大類。原級(jí)標(biāo)定是流量計(jì)裝置可能達(dá)到的*高準(zhǔn)確度，如pVTt法、鐘罩法。次級(jí)標(biāo)定一般是通過原始標(biāo)定裝置的量值傳遞、具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性的標(biāo)定，如標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)定裝置。目前，常用的標(biāo)準(zhǔn)表主要有臨界流噴嘴。另外，還有水標(biāo)法標(biāo)定裝置，其主要是利用稱重法，以水為檢定介質(zhì)，然后根據(jù)相關(guān)公式換算成氣體狀態(tài)下的量值。下面分別對(duì)這四種標(biāo)定方法及其標(biāo)定裝置的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。
2.1 水標(biāo)法標(biāo)定裝置
根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，水標(biāo)法是首先考慮的*方便可行的方案。水標(biāo)法氣體流量標(biāo)定裝置利用稱重法，以水為檢定介質(zhì)，可以分別對(duì)液體流量計(jì)和氣體流量計(jì)進(jìn)行檢定。
該方法的標(biāo)定原理是在裝置中安裝一個(gè)帶有電子稱的稱重容器，測(cè)量在標(biāo)定時(shí)間內(nèi)通過容器的水的質(zhì)量，然后將電子稱示數(shù)和被檢流量計(jì)示數(shù)進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)的標(biāo)定。
水標(biāo)法氣體流量標(biāo)定裝置主要有儲(chǔ)水池、穩(wěn)壓罐、流量調(diào)節(jié)閥、稱重容器、電子稱等設(shè)備。標(biāo)定時(shí)，啟動(dòng)水泵，水池里的水依次經(jīng)過穩(wěn)壓罐、被檢流量計(jì)，*后到達(dá)稱重容器，讀出電子稱的示數(shù)。
該裝置的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備少，操作簡(jiǎn)單，可以為本氣體流量計(jì)的標(biāo)定節(jié)約大量成本。缺點(diǎn)是檢定結(jié)果誤差較大，因?yàn)樵凇栋惺搅髁坑?jì)中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程》中明確提出，檢定介質(zhì)應(yīng)盡可能采用黏度、密度等與實(shí)際工作介質(zhì)相同或相近的流體。對(duì)于測(cè)量液體的流量計(jì)，以清潔水為檢定介質(zhì)；對(duì)于測(cè)量氣體的流量計(jì)，以空氣為檢定介質(zhì)。因此，需要一種以氣體為檢定介質(zhì)、高精度的氣體流量標(biāo)定裝置。
2.2 pVTt法標(biāo)定裝置
pVTt法氣體流量標(biāo)定裝置是測(cè)量氣體質(zhì)量流量的一種高精度標(biāo)定裝置。
該方法的標(biāo)定原理是在標(biāo)定時(shí)間t內(nèi)，氣體流入或流出容積為V的標(biāo)準(zhǔn)容器，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)氣體優(yōu)良?jí)毫和優(yōu)良溫度T的變化，可以求得氣體質(zhì)量流量，也就是通過被檢流量計(jì)的質(zhì)量流量，再將其與被檢表的示值進(jìn)行比較，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)的標(biāo)定。該裝置主要用于檢定臨界流噴嘴，也可以檢定其他流量計(jì)。
pVTt法氣體流量標(biāo)定裝置的質(zhì)量流量qm方程為：
式中：V為標(biāo)準(zhǔn)容器的體積，m3；Pi為抽氣后標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的優(yōu)良?jí)毫Γ琍a；Ti為抽氣后標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的優(yōu)良溫度，K；Pf為充氣后標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的優(yōu)良?jí)毫Γ琍a；Tf為充氣后標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的優(yōu)良溫度，K；t'為標(biāo)定時(shí)間，s。
該裝置主要有控制元件、計(jì)時(shí)器、標(biāo)準(zhǔn)容器、電位差計(jì)、熱電偶、真空泵等設(shè)備。標(biāo)定時(shí)，空氣流動(dòng)方向如圖中箭頭所示。啟動(dòng)真空泵，抽出標(biāo)準(zhǔn)容器中的空氣，接著關(guān)閉真空泵，等到標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的氣體達(dá)到平衡后，測(cè)出此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的壓力Pi和溫度Ti。然后再打開電磁閥。由于大氣壓大于標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的壓力，周圍的空氣經(jīng)流量計(jì)、過渡接管、控制元件進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)容器，標(biāo)準(zhǔn)容器開始充氣。在達(dá)到標(biāo)定時(shí)間t'時(shí)，在計(jì)時(shí)器的作用下，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)容器中空氣的狀態(tài)穩(wěn)定后，測(cè)出此狀態(tài)下的壓力Pf和溫度Tf。
該方案的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，本新型氣體流量計(jì)的精度優(yōu)于0.2級(jí)。目前，pVTt法氣體流量標(biāo)定裝置的精度可以優(yōu)于0.1級(jí)，不確定度為0.05%（k=2）。該裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)本新型氣體流量計(jì)的標(biāo)定。
該方案的缺點(diǎn)是裝置的準(zhǔn)確度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)容器的準(zhǔn)確度。目前，存在的一個(gè)關(guān)鍵問題是如何對(duì)標(biāo)準(zhǔn)容器的容積進(jìn)行**的標(biāo)定，可以采用氣標(biāo)法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)容器進(jìn)行標(biāo)定，使不確定度小于0.05%。因此，需要一種更易行的標(biāo)定裝置。
2.3 鐘罩法標(biāo)定裝置
鐘罩法氣體流量標(biāo)定裝置是以空氣為介質(zhì)，對(duì)氣體流量計(jì)進(jìn)行檢定的可靠易行的計(jì)量設(shè)備。
該方法的標(biāo)定原理就是通過標(biāo)尺讀取鐘罩在標(biāo)定時(shí)間內(nèi)下降的位移計(jì)算鐘罩排出氣體的體積，也就是流經(jīng)被檢流量計(jì)的氣體體積，然后和被檢流量計(jì)的示數(shù)進(jìn)行對(duì)比，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)的標(biāo)定。該裝置的標(biāo)定流量qv計(jì)算方程如下：
式中：PB為充氣后鐘罩內(nèi)部的優(yōu)良?jí)毫Γ琍a；VB為鐘罩排出的氣體體積，m3；TB為充氣后鐘罩內(nèi)部的優(yōu)良溫度，K；Pm為被檢流量計(jì)前氣體的優(yōu)良?jí)毫Γ琍a；Tm為被檢流量計(jì)前氣體的優(yōu)良溫度，K；t為標(biāo)定時(shí)間，s。
該裝置主要由鐘罩、液槽、平衡錘和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)等設(shè)備組成，是一個(gè)用標(biāo)定過的鐘罩有效容積作為標(biāo)定容積的計(jì)量?jī)x器。標(biāo)定時(shí)，空氣流動(dòng)方向如圖中箭頭所示。先通過鼓風(fēng)機(jī)對(duì)鐘罩內(nèi)部吹氣，使得鐘罩緩緩上升至*高處，關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)。然后打開調(diào)節(jié)閥，氣體從鐘罩經(jīng)管道至被檢流量計(jì)處，*后排入大氣。
該裝置的優(yōu)點(diǎn)是工作壓力較低（一般工作壓力小于101kPa），對(duì)于小流量測(cè)量特性非常穩(wěn)定。該氣體流量計(jì)測(cè)量靈敏度高，測(cè)量*低氣體流速可以達(dá)到0.5m/s，用此裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該氣體流量計(jì)小流量部分的**標(biāo)定。
該裝置的缺點(diǎn)是鐘罩頂蓋承受力有限，故工作壓力低（小于3kPa）。鐘罩的內(nèi)容積有限，因此只適合用于小流量（小于10m3/h）、小管徑的氣體流量?jī)x表的檢定，而該氣體流量計(jì)測(cè)量范圍寬，因此，該裝置不能滿足對(duì)大流量的標(biāo)定。鐘罩由液體密封，故氣體濕度較大，這會(huì)帶來很大誤差。另外，鐘罩價(jià)格非常昂貴，這就加大了對(duì)該氣體流量計(jì)標(biāo)定的成本。因此，需要一種準(zhǔn)確度高、標(biāo)定范圍寬、投資成本少的標(biāo)定裝置。
2.4 音速噴嘴法標(biāo)定裝置
音速噴嘴法氣體流量標(biāo)定裝置是一種操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高、標(biāo)定范圍寬的標(biāo)定裝置。采用音速噴嘴法檢定氣體流量計(jì)有正壓法和負(fù)壓法之分。由于正壓法對(duì)氣源要求比較高，而負(fù)壓法直接使用大氣作為氣源，氣體流量穩(wěn)定，且具有投資少、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，因此，決定采用負(fù)壓法。下面詳細(xì)介紹一下負(fù)壓法音速噴嘴氣體流量標(biāo)定裝置。
2.4.1 音速噴嘴
音速噴嘴是個(gè)孔徑逐漸減小的流道，喉徑*小的部分稱為喉部。圓筒形喉部的長(zhǎng)度和1/4圓環(huán)面的曲率半徑都應(yīng)等于喉部直徑。
圖5中，D為音速噴嘴上游入口端直徑，m；d為音速噴嘴喉部直徑，m，且偏差不超過0.001d；P1為音速噴嘴的下游出口背壓，Pa；P0為音速噴嘴的上游入口滯止壓力，Pa。音速噴嘴的取壓孔的位置（P0、P1）如圖5所示，其中，在距離上游入口（0.9～1.1）D處取壓P0，在距離下游出口7D～10D處取壓P1。
空氣動(dòng)力學(xué)理論表明，保持噴嘴入口的滯止壓力P0穩(wěn)定不變，不斷地降低噴嘴的出口背壓P1，開始時(shí)通過噴嘴的氣體質(zhì)量流量會(huì)逐漸增大，但是當(dāng)噴嘴的出口背壓降低到某一特定值時(shí)，文丘里噴嘴喉部流速達(dá)到*大流速———當(dāng)?shù)匾羲伲催_(dá)到臨界流。此時(shí)，如果P0不變，再減小P1，則流速將保持不變。也就是說，流速不再受下游壓力的影響，此時(shí)的狀態(tài)稱為臨界流狀態(tài)。
該方法的標(biāo)定原理就是在相同的時(shí)間間隔內(nèi)在管道上安裝由一個(gè)或多個(gè)音速噴嘴組成的流量測(cè)量裝置，在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，氣體連續(xù)地流過噴嘴和被檢流量計(jì)。由于質(zhì)量守恒，通過噴嘴的質(zhì)量流量和被檢流量計(jì)的質(zhì)量流量相同，比較兩者的流量示值，可以確定被校流量計(jì)的計(jì)量性能。該裝置的標(biāo)定流量qm計(jì)算方程：
式中：qm為質(zhì)量流量，kg·s-1；A為音速噴嘴喉部的橫截面積，m2；Cd為流出系數(shù)，無量綱；C*為實(shí)際氣體臨界流函數(shù)；P為臨界流文丘里噴嘴入口的優(yōu)良滯止壓力，Pa；M為摩爾質(zhì)量，kg·mol-1；R為通用氣體常數(shù)，J·（mol·K）-1；T為氣體優(yōu)良滯止溫度，K。
2.4.2 音速噴嘴氣體流量標(biāo)定裝置
裝置主要有噴嘴，滯止容器，測(cè)量噴嘴上游滯止溫度、壓力測(cè)量?jī)x表，被校流量計(jì)處溫度、壓力測(cè)量?jī)x表，計(jì)時(shí)器，對(duì)裝置中設(shè)備進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)采集、處理的控制系統(tǒng)及其他一些輔助設(shè)備。標(biāo)定時(shí)，用真空泵將空氣由被檢表的上游直管段入口吸入，進(jìn)入滯止容器，在滯止容器的下游，有音速噴嘴組，選擇音速噴嘴下游的開關(guān)閥的組合，可以任意選擇所要開關(guān)的音速噴嘴，以達(dá)到標(biāo)定被檢表不同流量的目的。由滯止容器處的溫度計(jì)和壓力計(jì)測(cè)出滯止溫度T和滯止壓力P，代入式（6）計(jì)算，可以得到通過臨界流文丘里噴嘴的質(zhì)量流量，亦即通過被檢表處的質(zhì)量流量。通過讀取被檢表表頭的溫度、壓力，可以計(jì)算出空氣密度，進(jìn)而得到標(biāo)定體積流量。
該裝置的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、標(biāo)定范圍寬，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該測(cè)量精度優(yōu)于0.2級(jí)、測(cè)量量程比為120∶1、測(cè)量*小流速為0.5m/s的新型氣體流量計(jì)的標(biāo)定。另外，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、檢定周期長(zhǎng)（長(zhǎng)達(dá)5年），費(fèi)用也相對(duì)較低。
該裝置也存在一些缺點(diǎn)，即可測(cè)量流量下限不能無限低。目前，音速噴嘴法流量標(biāo)定裝置可以達(dá)到0.1m3/h，但該裝置并不妨礙對(duì)該氣體流量計(jì)的標(biāo)定。
3 結(jié)束語
本文根據(jù)研制的新型氣體流量計(jì)的特點(diǎn)及靜態(tài)參數(shù)標(biāo)定要求，分析了現(xiàn)有四種標(biāo)定方法，即水標(biāo)法、pVTt法、鐘罩法、音速噴嘴法。水標(biāo)法標(biāo)定裝置是現(xiàn)有可行的標(biāo)定設(shè)備，但是主要用來對(duì)液體流量計(jì)的檢定，對(duì)檢定氣體流量計(jì)誤差較大，因此，考慮標(biāo)定介質(zhì)是氣體、高精度的標(biāo)定裝置。pVTt法標(biāo)定裝置是一種測(cè)量氣體質(zhì)量流量的高精度的標(biāo)定裝置，但對(duì)于其標(biāo)準(zhǔn)容器難以實(shí)現(xiàn)以氣標(biāo)法進(jìn)行**標(biāo)定，這使得建造該類裝置變得困難，因此，需要一種更易行的標(biāo)定裝置。鐘罩法氣體流量標(biāo)定裝置是以空氣為介質(zhì)，對(duì)氣體流量計(jì)進(jìn)行檢定的可靠易行的計(jì)量設(shè)備。但其工作壓力低，鐘罩容積有限，使之只適用于檢定低氣壓、小流量的氣體流量計(jì)，即檢定范圍較窄且裝置價(jià)格昂貴。因此，需要考慮一種準(zhǔn)確度高、標(biāo)定范圍寬、投資成本少的標(biāo)定裝置。音速噴嘴法氣體流量標(biāo)定裝置是一種設(shè)備簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高、標(biāo)定范圍寬，投資成本少的標(biāo)定裝置，能夠滿足該氣體流量計(jì)的各項(xiàng)靜態(tài)參數(shù)標(biāo)定要求。通過比較這四種標(biāo)定方法裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為音速噴嘴法可作為該氣體流量計(jì)靜態(tài)參數(shù)標(biāo)定的*佳選擇。
