給出傳統(tǒng)方法校準(zhǔn)電子皂膜流量計(jì)的原理及過(guò)程，針對(duì)現(xiàn)狀提出新的校準(zhǔn)方法———置換法。 詳述了置換法的工作原理、裝置結(jié)構(gòu)及操作過(guò)程，給出了示值誤差公式，提出了操作注意事項(xiàng)，并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)分析，總結(jié)了置換法的優(yōu)點(diǎn)，希望能在校準(zhǔn)或檢測(cè)工作中得到推廣和應(yīng)用。

0.引言

目前用于測(cè)量微流量和小流量的計(jì)量器具主要有電子皂膜流量計(jì)、層流流量計(jì)、熱式質(zhì)量流量計(jì)等幾種，與其它微小流量計(jì)量器具相比，電子皂膜流量計(jì)制造成本低、操作便捷，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工業(yè)生產(chǎn)和理化分析等各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 隨著儀器制造技術(shù)的提升，電子皂膜流量計(jì)的測(cè)量范圍已經(jīng)可以達(dá)到 1mＬ / min ~ 30Ｌ / min。

校準(zhǔn)電子皂膜流量計(jì)主要參照國(guó)家相關(guān)規(guī)程 來(lái)進(jìn)行，常用的標(biāo)準(zhǔn)器是鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。 然而，使用鐘罩校準(zhǔn) 100mＬ / min 以下微小流量電子皂膜流量計(jì)時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、容積分辨率低，試驗(yàn)過(guò)程中容易受到室溫變化、鐘罩壓力變化、相對(duì)濕度變化等環(huán)境因素的影響。 以下將分析傳統(tǒng)方法校準(zhǔn)電子皂膜流量計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程及不足之處，再提出一種新型的校準(zhǔn)方法。

1.傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程

利用鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置(0. 2 級(jí)，20Ｌ) 對(duì)電子皂膜流量計(jì)開(kāi)展校準(zhǔn)的傳統(tǒng)方法原理圖如圖 1 所示。

氣源由鐘罩提供，氣流經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量后進(jìn)入電子皂膜流量計(jì)。

注意應(yīng)該使用清潔氣體并保證氣源壓力波動(dòng)小于 10Pa;試驗(yàn)過(guò)程中氣溫、室溫變化小于 0. 5℃ 。

1）提升鐘罩，待鐘罩穩(wěn)定后，開(kāi)啟出氣閥，通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥，將流量調(diào)至需校準(zhǔn)的流量點(diǎn)。

2) 試驗(yàn)開(kāi)始后，系統(tǒng)接收鐘罩的輸出脈沖并計(jì)時(shí);記錄鐘罩及電子皂膜流量計(jì)的壓力和溫度值;每隔 2min 記錄一次電子皂膜流量計(jì)的流量顯示值。

3) 待系統(tǒng)接收脈沖數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)量，系統(tǒng)自動(dòng)停止檢測(cè)，記錄各試驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成試驗(yàn)過(guò)程傳統(tǒng)方法技術(shù)成熟、自動(dòng)化程度高，在校準(zhǔn)中流量和大流量時(shí)應(yīng)該優(yōu)先使用。

2.傳統(tǒng)方法存在的不足

利用傳統(tǒng)方法對(duì)標(biāo)稱(chēng)流量小于 100mＬ / min 的電子皂膜流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于 10mＬ / min、20mＬ / min、30mＬ / min 等微小流量點(diǎn)，被檢流量計(jì)的示值誤差、重復(fù)性和穩(wěn)定性都不好。 進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析發(fā)現(xiàn)，用傳統(tǒng)方法存在以下兩點(diǎn)不足。

2. 1 相對(duì)濕度影響大

鐘罩往往使用精白油進(jìn)行密封，因此鐘罩內(nèi)部氣體的濕度較低，與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的環(huán)境濕度差不多，然而氣流經(jīng)過(guò)電子皂膜流量計(jì)的皂液后，氣體的相對(duì)濕度就會(huì)變大，可認(rèn)為達(dá)到 100% RＨ。 有數(shù)據(jù)表明，室溫為 20℃ ，大氣壓為 101. 325kPa，相對(duì)濕度為 65% RＨ 的空氣，當(dāng)相對(duì)濕度增加到 100% RＨ 時(shí)，水蒸氣占空氣總體積的比例由 1. 298% 變化為2. 318% ，如果濕度補(bǔ)償不到位的話，僅由相對(duì)濕度帶來(lái)的誤差就已經(jīng)超過(guò) 1% 。

2. 2單次試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)

由于 20Ｌ 鐘罩的最小分度值限制，為了減少讀數(shù)帶來(lái)的誤差，單次試驗(yàn)至少需要采集 1000 個(gè)脈沖。 鐘罩的脈沖當(dāng)量為 3. 5mＬ / P，在 10mＬ / min 的流量下， 1000 個(gè)脈沖的試驗(yàn)時(shí)間為 350min (5. 83h) ，校準(zhǔn)三次就是 17. ４9h，顯然耗時(shí)太長(zhǎng)。

3.置換法的提出

3.1試驗(yàn)裝置及其技術(shù)要求

如圖 2 所示，氣源依舊由鐘罩提供，氣流先流經(jīng)電子皂膜流量計(jì)，接著進(jìn)入儲(chǔ)水容器，該儲(chǔ)水容器下部盛水，上部空間只能允許氣體進(jìn)入，因此可認(rèn)為是一個(gè)密閉容器，容器出口裝調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥后有細(xì)口瓶，用于接收容器流出來(lái)的水。 電子皂膜流量計(jì)前端裝有壓力表 P1 和溫度表 T1 ;容器液體上部裝有壓力表 P2 和溫度表 T2 ;液體宜采用蒸餾水;容器最小容積應(yīng)為最大流量值的 500 倍至 1000 倍，建議 30Ｌ 至 100Ｌ，這樣在一次試驗(yàn)中(5min 內(nèi)) ，水面下降高度較小，容器中的空氣壓力變化也較小。細(xì)口瓶的瓶口在方便操作的前提下應(yīng)盡可能小，這樣可以防止試驗(yàn)過(guò)程中水的揮發(fā)。 另外，還應(yīng)準(zhǔn)備一臺(tái)電子天平 (  級(jí)， d = 0. 01g ) 和 1 只秒表(0. 01s) 。

3. 2 操作過(guò)程

1) 帶上干手套，用天平稱(chēng)量細(xì)口瓶的皮重 m1 并記錄。

2) 打開(kāi)流量調(diào)節(jié)閥， 調(diào)節(jié)流量， 直到皂膜流量計(jì)示值為校準(zhǔn)流量點(diǎn); 調(diào)節(jié)閥后面暫不加細(xì)口瓶。

3) 等待 1min 以消除開(kāi)關(guān)閥門(mén)對(duì)氣體容器中氣流的干擾;將細(xì)口瓶迅速放置流量調(diào)節(jié)閥后端，接住容器內(nèi)流出的水;同時(shí)啟動(dòng)秒表計(jì)時(shí);記錄電子皂膜流量計(jì)及容器的壓力和溫度值:p1 、p2 、T1 、 T2 ;每隔 2min 記錄一次電子皂膜流量計(jì)的流量顯示值。

４) 試驗(yàn) 3min 后，撤離細(xì)口瓶的同時(shí)停止秒表計(jì)時(shí)，記錄時(shí)間 t1 ，細(xì)口瓶此時(shí)總重 m2 ，電子皂膜流量計(jì)平均流量顯示值 qV 。 注意:由于單次試驗(yàn)時(shí)間不長(zhǎng)，且細(xì)口瓶瓶口較細(xì)，瓶中水蒸氣的揮發(fā)可以忽略不計(jì)。

3. 3 示值誤差計(jì)算

式中:E 為示值誤差，% ;qv 為電子皂膜流量計(jì)平均流量顯示值，mＬ / min;qS 為標(biāo)準(zhǔn)值，mＬ / min。

研究表明，水在密閉空間容器中第 1min 內(nèi)蒸發(fā)速度很快;1min 后蒸發(fā)速度開(kāi)始下降，1 ~ 10min 內(nèi)蒸發(fā)量變化不大，室溫 23 ~ 26℃ 時(shí)，變化量約為(2~ ４) % RＨ。 水的蒸發(fā)與溫度有關(guān)，溫度越高，1min

內(nèi)密閉容器內(nèi)氣體的蒸發(fā)量越大， 相對(duì)濕度也越高。 由于 1min 觀測(cè)時(shí)間內(nèi)水的蒸發(fā)速度極快，以至于可以忽略進(jìn)入密閉容器氣體的原來(lái)濕度大小，不同濕度氣體進(jìn)入儲(chǔ)水密閉容器內(nèi) 1min 后濕度值基本接近。 故可認(rèn)為氣流經(jīng)過(guò)電子皂膜流量計(jì)時(shí)相對(duì)濕度為 100% ，進(jìn)入密閉容器后 1min 左右后，濕度為容器內(nèi)的濕度，經(jīng)過(guò)測(cè)量為 80. 1% RＨ( 大氣壓 101. 3kPa，室溫 20℃ ) 。 計(jì)算密閉容器中干空氣的體積公式為:

式中:V 為 t1 時(shí)間內(nèi)進(jìn)入容器內(nèi)干空氣的體積，mＬ; m1 、m2 分別為細(xì)品瓶測(cè)量前、后的重量，g;ρ 為蒸餾水的密度，g / mＬ;θ 為容器內(nèi)水蒸氣占?xì)怏w體積的百分比值，% ;pS 為容器內(nèi)環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)下的飽和蒸汽壓，kPa;φ 為容器中的相對(duì)濕度，% RＨ;p0 為容器內(nèi)的氣體壓力，kPa。

由理想氣體狀態(tài)方程可得:

結(jié)合式(1) ~ (４) 可以計(jì)算出電子皂膜流量計(jì)的示值誤差 E。

3.４.注意事項(xiàng)

試驗(yàn)前，清洗電子皂膜流量計(jì)的內(nèi)壁( 有需要的話還要加注皂液) ，確保內(nèi)壁干凈無(wú)雜物粘附;檢查流量計(jì)上下傳感器是否松動(dòng)，若有松動(dòng)現(xiàn)象則要先進(jìn)行維修后再進(jìn)行試驗(yàn);確定流量計(jì)的示值是干空氣的流量值還是相對(duì)濕度下的流量值;流量計(jì)是否需要人工輸入表前壓力、表前溫度、相對(duì)濕度等信息。

試驗(yàn)用細(xì)口瓶的外壁應(yīng)該干凈整潔，無(wú)水滴殘留;秒表啟動(dòng)操作和放置細(xì)口瓶應(yīng)該同步且準(zhǔn)確到位;秒表停止操作和撤離細(xì)口瓶也應(yīng)同步且準(zhǔn)確到位。

3. 5 校準(zhǔn)結(jié)果比較

利用傳統(tǒng)方法和置換法分別對(duì)同一臺(tái)電子皂膜流量計(jì)的 50mＬ / min 流量點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分別如表 1、表 2 所示，示值誤差比對(duì)曲線如圖 3 所示( 其中 X 軸為校準(zhǔn)次數(shù)序號(hào)，Y 軸為示值誤差) 。

可見(jiàn)，置換法校準(zhǔn)結(jié)果的示值誤差、重復(fù)性等指標(biāo)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

3. 6 置換法優(yōu)點(diǎn)

1) 工作效率高。 利用電子天平替代鐘罩成為主標(biāo)準(zhǔn)器，增加了容積分辨率，縮短了試驗(yàn)時(shí)間，提高了試驗(yàn)效率，降低了實(shí)驗(yàn)室電能損耗。

2) 測(cè)量重復(fù)性好。 使用傳統(tǒng)方法校準(zhǔn)一個(gè)微小流量點(diǎn)可能需要幾小時(shí)到十幾個(gè)小時(shí)，期間環(huán)境條件易產(chǎn)生變化，造成校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確度低、重復(fù)性變差等現(xiàn)象;而置換法的試驗(yàn)時(shí)間較短，電子天平的分辨力高，環(huán)境因素帶來(lái)的附加誤差較小，故重復(fù)性較好。

４.結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用傳統(tǒng)方法校準(zhǔn)微小流量電子皂膜流量計(jì)時(shí)，存在試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、效率低、重復(fù)性差、易引入其它附加誤差等問(wèn)題，因此筆者提出一種新的校準(zhǔn)方法———置換法。 該方法準(zhǔn)確度高、 重復(fù)性好， 尤其是在校準(zhǔn) 100mＬ / min 以下流量時(shí)，可以大大提高工作效率。 行業(yè)內(nèi)關(guān)于皂膜流量計(jì)或流量裝置有一些應(yīng)用文章，讀者可以結(jié)合本文觀點(diǎn)進(jìn)行綜合應(yīng)用。 需要注意的是該方法目前還不是標(biāo)準(zhǔn)方法，方法可靠性數(shù)據(jù)有待于進(jìn)一步積累和驗(yàn)證，因此不能用于檢定工作場(chǎng)合;但可在校準(zhǔn)或者檢測(cè)工作中推廣使用。