CN105716692B - 一种用于气体流量标准装置的换向器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于气体流量标准装置的换向器，一开关阀，该开关阀控制气源的开启或关闭；一待测仪表，其一端与所述开关阀连接，另一端连接到第一转接件；第一气阀，其与所述第一转接件连接；第二气阀，其与所述第一转接件连接，其中，所述第二气阀具有至少两个开关位置。本发明还公开了一种采用所述换向器的检测方法。通过本发明的装置能够进行附加质量的抵消，实现了标准装置不确定度水平的显著提高。

Description

一种用于气体流量标准装置的换向器及检测方法

技术领域

本发明属于气体流量检测领域，特别是涉及一种用于气体流量标准装置的附加质量抵消的换向器及抵消方法。

背景技术

作为气体流量原级标准装置，“正压流入式”(PPCM，Positive Pressure Charge-in Method，以下简称PPCM)气体流量标准装置以其成本和技术性的优势成为建立质量法及容积法气体流量原级标准装置的最佳方案之一；特别在高压气体流量原级装置方面，这一优势更为明显。附加容积，即与标准容器连接的管路部分的容积，附加质量是附加容积在进气前、后的质量变化，其影响是此类装置不确定度影响分量中的重要一项。

国内相关装置的检定规程虽然提到附加质量的计算，但相关参数，如压力、容积等均为仅适用于常压状态的近似值或估计值，而且未明确估计的附加质量如何处理；在国内有关文献，如关于质量法装置的主要论文中甚至未提及附加质量的影响及修正。当采用PPCM气体标准装置标定临界流喷嘴或气体流量仪表时，流经被标定件的气体进入被切断阀门隔离的标准容器，这部分气体的体积或质量可以被精确计量；但附加容积内气体的压力、温度、体积及质量则难以被准确计量，原因是：附加容积通常形状复杂，难以用几何尺寸测量方法予以准确确定；当装置运行在高压状态时，标准容器或称重容器的体积往往较小，此时附加容积占总容积中的比重增大，例如，国内某些装置的附加容积所占比达0.4％，对于总不确定度仅为10^-4量级的装置来说，附加质量影响不可忽视；在常压装置中，附加容积的初始压力、温度均接近环境值，但在正压特别是高压装置中，附加容积中的初始压力、温度值均大幅度偏离环境值，而且随时变化。目前以估计值或假设值取代实际值的算法存在较大误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于高压气体流量标准装置的新型换向器以及通过该换向器实现附加质量抵消的方法，通过该换向器能够降低附加质量对测量不确定度的影响，使附加质量产生的不确定度度可忽略或被抵消，进而明显提升气体流量标准装置的总不确定度。

本发明提供了一种用于气体流量标准装置的新型换向器，一开关阀，该开关阀控制气源的开启或关闭；一待测仪表，其一端与所述开关阀连接，另一端连接到第一转接件；第一气阀，其与所述第一转接件连接；第二气阀，其与所述第一转接件连接，其中，所述第二气阀具有至少两个开关位置。

其中，所述待测仪表为临界流喷嘴。

其中，所述气源为高压气体。

其中，所述第一转接件具有三个端口。

其中，所述第二气阀具有第一开关位置和第二开关位置。

本发明还提供了一种气体流量标准装置的检测方法，其采用前述所述的换向器，其特征在于：

(1)初始状态，所述第一气阀和第二气阀关闭；

(2)第一气阀开启，通过待测仪表的气体进入气体流量标准装置的标准容器；

(3)标准容器内气压达到预定值后，所述第一气阀关闭；

(4)所述第一气阀关闭后，第二气阀打开，气体从第二气阀进入旁路出口。

其中，在步骤(2)的第一气阀开启之前，所述第二气阀由第一开关位置转移到第二开关位置。

其中，在所述第一气阀开启之前，在检测开始时，气源打开，所述第二气阀的第一开关位置为打开状态。

本发明的新型换向器及检测方法适用于质量法及容积法等气体流量原级标准装置，在国内外首次采用该设备进行附加质量的抵消，实现了标准装置不确定度水平的显著提高。

附图说明

图1本发明的正压流入式气体流量标准装置的结构示意图；

图2本发明的换向器的第一状态的结构示意图；

图3本发明的换向器的第二状态的结构示意图；

图4本发明的换向器的第三状态的结构示意图；

图5本发明的换向器的第四状态的结构示意图；

图6本发明的附加容积抵消方法的时序示意图；

图7本发明的控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。

如图1所示为正压流入式气体流量标准装置的结构示意图。对于气体流量装置来说，所述装置中具有用于进行检测的气源，切断阀1可以对气源进行开关控制，在切断阀1的一侧具有临界流喷嘴3，作为进一步的优选方案，可以在所述切断阀1与所述临界流喷嘴3之间可以设置用于检定的流量计2，当然也可以不设置所述流量计2。所述临界流喷嘴3通过管道或其他连接部件与第一气阀V1和第二气阀V2相连接，在所述临界流喷嘴3与第一气阀V1、第二气阀V2之间的容积为附加容积9，所述第二气阀V2与旁路出口连通，在所述临界流喷嘴3与所述第二气阀V2之间可设置有温度传感器Ti和压力传感器Pi；所述第一气阀V1通过快速接头4与标准容器5相连，其中所述标准容器5也可以是称重容器，在所述标准容器5上连接有测量其内容温度和压力的温度传感器Ts、压力传感器Ps，所述标准容器5进一步包括有出气口，该出气口与真空泵8连接，在所述出气口与真空泵8之间可以设置有真空阀6和快速接头7。

采用前述正压流入式气体流量标准装置，可以对临界流喷嘴或气体流量仪表进行标定，在标定过程中，首先，打开真空泵8，控制真空阀和快速接头7的开启，依靠真空泵8将标准容器5内的空气抽出，在真空泵8进行抽取空气时，所述第一气阀V1及所述第二气阀V2均处于关闭状态，通过温度传感器Ts和压力传感器Ps对标准容器内的压力和温度进行测量，当标准容器内的压力和温度达到预定值后，关闭控制真空阀6和快速接头7，之后关闭真空泵8。在标定开始时，所述临界流喷嘴3的上游与气源连通，打开所述第二气阀V2，在喷嘴中建立起适当流量；然后所述第二气阀V2关闭，同时所述第一气阀V1开启，气体注入标准容器5。确保喷嘴3在标定过程中始终处于临界状态，当标准容器5内压力上升到预定值时，按顺序关闭所述第一气阀V1，开启所述第二气阀V2；应保证标准容器5和旁路出口没有连通的瞬间，即所述第一气阀V1和所述第二气阀V2不可同时处于开启状态。待标准容器内状态稳定后，再次测量容器内的压力和温度，计算标准容器内收集到的气体净质量。通过计算喷嘴的流出系数，完成喷嘴的检定程序。

附加质量的修正

对于PPCM装置，当一次测试循环完成时，标准容器5(或称重容器)所收集的气体质量为ΔMT，其可以表示为：

ΔM_T＝M_Ti-M_Tf (1)

式中：

ΔM_T---标准容器收集的气体质量；

M_Ti---标准容器内初始的气体质量；

M_Tf---标准容器内最终的气体质量。

在标定过程中，标准容器5收集到的气体不仅是第一气阀V1和第二气阀V2后的气体，由于第二气阀V2先关闭，第一气阀V1后开启，标定开始时附加容积9内的部分气体也被喷嘴上游的压力压入标准容器，而标定结束时附加容积9内的气体又被压出到“旁路出口”。如果注入标准容器的附加气体质量(M_Ii)不等于排出到“旁路出口”的气体质量(M_If)，则产生了多余的注入气体质量：

ΔM_I＝M_If-M_Ii (2)

式中：

ΔM_I---附加容积内的气体质量；

M_Ii---附加容积内初始的气体质量；

M_If---附加容积内结束的气体质量。

ΔM_I是装置不确定度的一个分量。为了减少乃至消除这个影响，本发明设计了一种新型换向器，通过该新型换向器的配合操作，可实现附加质量的抵消。其中，在换向器及管路结构设计上尽量减小附加容积，使之相对标准容器的容积尽量小，降低其影响；且使M_If和M_Ii尽量接近或相等，附加质量将减至最小或等于零，即ΔM_I≌0。

如图2所示为本发明的换向器第一状态的结构示意图，所述换向器10包括开关阀11，该开关阀11控制气源的开启或关闭，其一端与气源连接，另一端与临界流喷嘴12或待测流量仪表连接，为了便于说明和理解，本实施例中采用开关阀11与临界流喷嘴12连接作为示例，但是其不作为对换向器中的结构的具体限定，所述临界流喷嘴12的一端与所述开关阀11连接，另一端连接有第一转接件13，该第一转接件13的第一端与所述临界流喷嘴12连接，该第一转接件的第二端与第二气阀V2连接，所述第一转接件的第三端与所述第一气阀V1相连接。

如图2所示，所述第一气阀V1包括第二转接件14，所述第二转接件14的第一端与第一电控阀15连接，所述第一电控阀15中可包括有驱动气缸，所述第一电控阀15中包括第一密封杆16，在所述第二转接件14的内壁上具有与所述第一密封杆16进行配合的第一密封件17，所述第一密封件17靠近所述第二转接件14的第二端口的内壁下沿，当所述第一密封杆16的密封头与所述第一密封件17紧密结合时，起到隔断气体的作用，使所述第一气阀V1处于关闭状态，所述第二转接件14的第三端连接到所述标准容器；在所述第一电控阀15的上方设置有第一光栅编码器18，所述第一光栅编码器18与所述第一密封杆的一端相配合。

如图2所示，所述第二气阀V2包括第三转接件21，所述第三转接件21的第一端与第二电控阀22连接，所述第二电控阀23中可包括有驱动气缸，所述第二电控阀22中包括第二密封杆23，在所述第三转接件21的内壁上具有与所述第二密封杆23进行配合的第二密封件24和第三密封件25，所述第二密封件24靠近所述第三转接件21的第二端口的内壁下沿，所述第三密封件25位于所述第二密封件的下方，所述第三密封件25靠近所述第三转接件21的第三端口附近，当所述第二密封杆23的密封头与所述第二密封件24紧密结合的位置定义为V_2a，所述第二密封杆23的密封头与第三密封件25紧密结合的位置定义为V_2b，通过V_2a和V_2b位置处的开关在可以起到隔断气体的作用，使所述第二气阀V2处于打开或关闭状态，所述第三转接件21的第三端连接到旁路出口；在所述第二电控阀22的上方设置有第二光栅编码器26，所述第二光栅编码器26与所述第二密封杆23的一端相配合。

下面对换向器的工作过程进行示例性说明，其运行步骤如图2-6所示：

装置运行的初始状态如图2所示：第一气阀V1的第一密封杆16的密封头与所述第一密封件17紧密结合，所述第一气阀V1处于关闭状态，同时，第二气阀V2的第二密封杆23的密封头与所述第二密封件24紧密结合，第二气阀V2在V_2a位置处于关闭状态，即初始状态，V1和V_2a均关闭。在V1和V_2a均处于关闭状态时，在第一转接件13、第二转接件14和第三转接件21连通的区域构成了附加容积9。启动真空泵8排出标准容器5(V_T)的气体，使容器内压力达到预定值，依次关闭真空阀6和真空泵8。待容器状态稳定后测取其中的绝对压力P_Ti和热力学温度T_Ti。V_T值事先标定，P_Ti，T_Ti将用以计算容器内气体的初始密度ρ_Ti和初始质量M_Ti。

图3为本发明的换向器第二使用状态的示意图，如图3所示，控制第二气阀V2，通过第二密封杆23的移动，使第二密封杆23的密封头朝第三密封件25的方向移动，由于密封头与第二密封件24的分离，使得第二气阀V2在V_2a位置打开，在喷嘴内建立一个稳定的流量。

图4为本发明的换向器第三使用状态的示意图，如图4所示，当第二密封杆23与第三密封件25接触后，第二气阀V2在V_2b位置进行关闭，打开第一气阀V1，在这个过程中有瞬间第一气阀V1，和第二气阀V2在V_2b位置都是关闭的，这段时间即Δt3。

采用快速响应的压力和温度测量系统测取附加容积内的压力和温度T_Ii(起始)和T_If(结束)变化。设计换向器时应保证V1，V_2a，V_2b的启闭顺序，即V_2b先关，V1后开，不得发生V1，V2a，V2b同时开启的情况。

在Δt3时间段内选取一合适压力作为“匹配压力P_m1”，第一光栅编码器18在此点处发出计时开始脉冲信号开始计时。

当第一气阀V1打开后，气体将开始注入标准容器5，当标准容器5内的气体压力达到预设值时，图5为本发明的换向器第四使用状态的示意图，如图5所示，控制第一气阀V1的第一电控阀15，使第一密封杆16的密封头与所述第一密封件17紧密结合，从而所述第一气阀V1处于关闭状态关闭；然后V_2b打开。这个过程中有瞬间V1，V2b都是关闭的，这段时间即Δt4。

采用快速响应的压力和温度测量系统测取附加容积9内的压力和温度变化。设计换向器时应保证V1，V2a，V2b的启闭顺序，即V1先关，V_2b后开，不得发生V1，V_2a，V_2b同时开启的情况。

在Δt4时间段内选取一合适压力作为“匹配压力P_m2”，第二光栅编码器26发出计时停止脉冲信号停止计时，这段时间间隔即Δt5；用以计算喷嘴的质量流量q_m，如下式：

式中ΔM为流过喷嘴的气体质量。

待容器状态稳定后测取其中的绝对压力P_Tf和热力学温度T_Tf。V_T值是事先标定的，P_Tf，T_Tf将用以计算容器内气体的终止密度(ρ_Tf)和终止质量(M_Tf)。

至此，一次测试完成，装置返回到如图2所示的状态，等待下次测试。

附加质量抵消方法的计算

由于标准容器收集到的气体质量ΔM_T存在未通过临界流喷嘴的附加质量ΔM_I，即：

ΔM＝ΔM_T+ΔM_I＝(M_Tf-M_Ti)+(M_If-M_Ii) (4)

式(5)、(6)中：V_T---标准容器容积(事先已经标定)，V_I---附加容积(事先已经标定)，Mr---相对分子质量，R---通用气体常数。

由于P_If＝P_Ii，T_If＝T_Ii，因此ΔM_I＝0，附加容积的影响被抵消。同时，VI的大小变得无关紧要，标定时达到±20％的误差也是可以被接受的。

为了达到前述工作原理并操作换向器，本发明进一步提供了相应的信号采集及时序控制系统。其拓扑图如图7所示：

如图7所示，第一电控阀15和第二电控阀22分别连接第一光栅编码器18和第二光栅编码器26，所述第一、第二光栅编码器的信号输入信号采集器，时序控制器根据压力测量仪表检测到的压力匹配值，如图6所示，发出计时的起始和终止信号，其时间差即为Δt5，即计算流过喷嘴喉部流量的时间差值。Δt～Δt4由主控系统按照设计的程序发出，控制换向器的动作。

本发明借助于快速响应压力及温度测量系统，在切换阀动作瞬间测取匹配压力值(通过试验选取设定值)，实现了附加质量影响最小化，或消除了这个影响；从而使附加容积无需准确标定，如果系统运行正常，附加容积可不标定，提高了装置的不确定度水平。

根据匹配压力值，连接在驱动气缸上的光栅编码器发出关键的计时信号，生成计时时间差Δt5，参与喷嘴流量的计算。其他控制信号Δt～Δt4由主控系统生成。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种用于气体流量标准装置的换向器，其包括：一开关阀，该开关阀控制气源的开启或关闭；一待测仪表，其一端与所述开关阀连接，另一端连接到第一转接件；第一气阀，其与所述第一转接件连接；第二气阀，其与所述第一转接件连接，其中，所述第二气阀具有至少两个开关位置；其特征在于：所述第一气阀包括第二转接件，在所述第二转接件的内壁上具有第一密封件；所述第二气阀包括第三转接件，在所述第三转接件的内壁上具有第二密封件和第三密封件。

2.如权利要求1所述的换向器，其特征在于：所述待测仪表为临界流喷嘴。

3.如权利要求1所述的换向器，其特征在于：所述气源为高压气体。

4.如权利要求1所述的换向器，其特征在于：所述第一转接件具有三个端口。

5.如权利要求1所述的换向器，其特征在于：所述第二气阀具有第一开关位置和第二开关位置。

6.一种气体流量标准装置的检测方法，其采用如权利要求1-5任一项所述的换向器，其特征在于：

(1)初始状态，所述第一气阀和第二气阀关闭；

(2)第一气阀开启，通过待测仪表的气体进入气体流量标准装置的标准容器，在所述第一气阀开启之前，所述第二气阀由第一开关位置转移到第二开关位置；

(3)标准容器内气压达到预定值后，所述第一气阀关闭；

(4)所述第一气阀关闭后，第二气阀打开，气体从第二气阀进入旁路出口。

7.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于：在所述第一气阀开启之前，在检测开始时，气源打开，所述第二气阀的第一开关位置为打开状态。