20世紀(jì)80~90年代以來, 半導(dǎo)體制造業(yè)、精細(xì)化工、納米技術(shù), 生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的迅速崛起, 使得氣體流量計量朝著小、微方向發(fā)展, 小流量、微小流量的需求日益凸顯[1]。

目前, 用于微小流量計量的計量器具主要有皂膜流量計、活塞流量計 (根據(jù)密封方式不同, 可分為石墨式活塞流量計、水銀密封式活塞流量計) 等。而皂膜流量計成本低, 使用便捷, 在工業(yè)生產(chǎn)、理化分析和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2]。

傳統(tǒng)的皂膜流量計主要受皂膜管上下刻度線讀數(shù)示值誤差、大氣壓P和環(huán)境溫度讀數(shù)誤差、測量時間誤差的影響[3]。隨著電子工業(yè)和傳感器技術(shù)的發(fā)展, 電子皂膜流量計采用先進(jìn)高精度的溫度和壓力測量電子元器件, 并運(yùn)用紅外傳感器和單片機(jī)晶振, 能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、壓力、時間參數(shù)的高精度自動采集, 克服了傳統(tǒng)皂膜流量計示值誤差影響因素。在工作計量器具或檢定裝置中, 已基本全面取代傳統(tǒng)皂膜流量計。隨著電子皂膜流量計的發(fā)展, 計量范圍也可達(dá)到1m L/min~30 L/min。本文首先介紹電子皂膜流量計工作, 其次推導(dǎo)電子皂膜流量計流量計算公式, 再次分析考慮水的飽和蒸汽壓和未考慮水的飽和蒸汽壓對檢定示值誤差的影響, ***后給出解決問題的方法和建議。

電子皂膜流量計主要由單片機(jī)、紅外傳感器、前置電路、驅(qū)動電路、按鍵、顯示器、電源等部分組成。它可實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動采集, 數(shù)據(jù)自動處理, 直接顯示實(shí)際流量, 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流量和參比狀態(tài)流量。其硬件原理和電子皂膜管結(jié)構(gòu)圖如圖1和圖2所示。

當(dāng)皂膜通過上游狹縫3時, 發(fā)光管發(fā)出的光束強(qiáng)度的變化, 使接收管7改變導(dǎo)通狀態(tài), 單片機(jī)開始計時t1, 當(dāng)皂膜通過下游狹縫時, 下游接收管改變導(dǎo)通狀態(tài), 單片機(jī)計時t2, 皂膜在時間 (t2-t1) 內(nèi)通過皂膜管標(biāo)定體積VN。根據(jù)生產(chǎn)廠家的不同, 單片機(jī)可根據(jù)現(xiàn)場輸入的現(xiàn)場溫度、大氣壓力或是通過壓力和溫度傳感器自動采集的現(xiàn)場溫度、大氣壓力, 自動查詢與現(xiàn)場溫度相對應(yīng)的飽和蒸汽壓力, 經(jīng)單片機(jī)計算, 可顯示實(shí)際流量, 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流量和參比狀態(tài)流量。而部分電子皂膜流量計使用于恒溫實(shí)驗(yàn)室, 沒有進(jìn)行飽和蒸氣壓的修正。

干氣體通過盛有皂膜液膠球后, 經(jīng)內(nèi)壁有液層的皂膜管時, 變成飽和濕氣體。皂膜管內(nèi)的總壓力為大氣壓, 則干氣體分壓力為:

式中:P為皂膜管處干氣體的壓力;Pa為大氣壓力;Psa為檢定時氣體溫度θ下飽和蒸汽壓。

檢定溫度θ下, 皂膜管的容積為:

式中:Vθ為皂膜管在溫度θ下的容積;VN為皂膜管在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的容積;α為皂膜管的線膨脹系數(shù), 對于硼硅玻璃, 3α=1.6×10 (℃) ;θ為檢定時皂膜管的壁溫。

將此體積按狀態(tài)方程換算到參比狀態(tài)下的體積, 則有:

式中:V為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的體積;P為干氣體分壓力, Pa;Tθ為現(xiàn)場溫度, K;PS為參比狀態(tài)下大氣壓力, Pa;TS為參比狀態(tài)下溫度, K。

由式 (1) ~式 (4) 可得參比狀態(tài)下瞬時流量:

由于檢定時處于實(shí)驗(yàn)室狀態(tài), 室溫接近20℃, 故忽略溫度對皂膜管容積值影響, 式 (5) 可以簡化為:

常用參比溫度為273.15、293.15、298.15 K, 當(dāng)參比溫度為293.15 K時:

式中:T293.15為參比狀態(tài)下的溫度 (273 K+20℃, 即293 K) ;PS為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下的大氣壓 (101.325 k Pa) ;Pa為現(xiàn)場大氣壓, Pa;Psa為與現(xiàn)場溫度相對應(yīng)的水的飽和蒸氣壓, Pa;Tθ為現(xiàn)場溫度, K。

其他參比溫度下的瞬時流量可據(jù)式 (7) 進(jìn)行類推。在檢定工作中發(fā)現(xiàn), 一些電子皂膜流量計的生產(chǎn)廠家, 只針對參比狀態(tài)下的濕氣體進(jìn)行了氣體狀態(tài)轉(zhuǎn)化, 即以現(xiàn)場大氣壓進(jìn)行溫度壓力修正, 忽略了現(xiàn)場溫度下的飽和蒸汽壓。在非恒溫實(shí)驗(yàn)室條件下使用電子皂膜流量計時, 飽和蒸汽壓帶來的影響是不可忽略的。

本文以實(shí)驗(yàn)室下校準(zhǔn)體積為20 m L, 測量范圍10~1 200 m L/min的電子皂膜流量計為例, 計算水的飽和蒸氣壓帶來的瞬時流量誤差。水的飽和蒸汽壓表如表1所示。

實(shí)驗(yàn)室條件下, 設(shè)現(xiàn)場溫度為20℃。

則不考慮飽和蒸汽壓時:

考慮飽和蒸汽壓時:

我們地處中原, 實(shí)驗(yàn)室大氣壓力接近于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓, 即Pa=PS=101.325 k Pa, Tθ= (273.15+20) K=TS, 由表1可得Psa=2.338 8 k Pa, 帶入式 (9) 可得, 。一臺轉(zhuǎn)子, 其測量范圍為0.1~1 L/min, 刻度狀態(tài)為20℃, 101.325 k Pa, 使用介質(zhì)為空氣。在檢定過程中使用未考慮飽和蒸汽壓補(bǔ)償?shù)碾娮釉砟ち髁坑嬜鳛闃?biāo)準(zhǔn)器的檢定數(shù)據(jù)如表2所示。

依據(jù)檢定數(shù)據(jù)表2, 不考慮飽和蒸汽壓和考慮飽和蒸氣壓瞬時流量換算關(guān)系, 可得考慮飽和蒸汽壓的檢定數(shù)據(jù), 如表3所示。

未考慮水的飽和蒸氣壓和考慮水的飽和蒸氣壓的示值誤差對比曲線如圖3所示。

由圖3可知, 兩種示值誤差曲線存在一定的偏移, 即飽和蒸氣壓修正引入的系統(tǒng)誤差。

在使用時如果氣源為干氣體, 被檢流量計使用介質(zhì)為干氣體時, 電子皂膜流量計必須考慮水的飽和蒸氣壓帶來的影響。電子皂膜流量計中飽和蒸氣壓是由單片機(jī)線性插值或數(shù)據(jù)擬合而來, 通過簡單的線性擬合計算出來的蒸汽壓與實(shí)際數(shù)據(jù)誤差較大, 本文建議采用Pb=6.0×10e, 其中, Pb為飽和蒸汽壓, T為溫度。在0~200℃范圍內(nèi), 由此數(shù)據(jù)擬合的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)***大誤差為0.8‰[4]。建議在起草新的皂膜流量計檢定規(guī)程時, 將擬合方法放入附錄, 供廠家參考。