CN105890677B

CN105890677B - 一种小微气体流量发生器

Info

Publication number: CN105890677B
Application number: CN201610274022.6A
Authority: CN
Inventors: 刘继义; 纪建英; 张瑞锋; 李凤霞; 张惠
Original assignee: Shandong Institute of Metrology
Current assignee: Shandong Institute of Metrology
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2036-04-28
Also published as: CN105890677A

Abstract

本发明公开了一种小微气体流量发生器，属于小微气体流量计量领域。本发明包括工作腔体，工作腔体上方连通一顶部开口的活塞筒，活塞筒内壁分别设置上活塞环和下活塞环；活塞筒内设有与上活塞环和下活塞环配合的活塞；活塞筒的侧壁设置开孔，开孔通过管道连通可变容积的补偿容器；补偿容器与工作腔体分别通过管道连通洁净气源；补偿容器与洁净气源之间的管道上以及工作腔体与洁净气源之间的管道上均设有截止阀；工作腔体还通过管道连通监视流量计，工作腔体与监视流量计之间的管道上也设有截止阀；监视流量计后面的管道上设有流量调节阀；活塞的正上方设有位移测量仪。本发明可用于校准对应测量范围的0.5级或更高等级的小、微气体流量计。

Description

一种小微气体流量发生器

技术领域

本发明涉及小微气体流量计量领域，特别涉及一种小微气体流量发生器。

背景技术

随着国家产业结构转型升级，节能环保意识和对产品质量要求的提高，小微流量的应用场合越来越多。例如：环保领域的粉（烟）尘采样器、安全生产领域中压力容器检漏、太阳能领域的真空镀膜，都需要用到小微气体流量测量。

目前在小微流量范围还没有高精度的原级标准，因此实验室和企业使用的高精度小微流量计无法在国内实现量值溯源。例如0～10 mL/min的0.5级气体流量计，因在国内无法进行校准，只能送到国外进行校准，不仅费用高昂，而且浪费了用户大量的时间成本。

现有技术中气体流量发生器包括钟罩式流量装置、活塞式流量计和水银密封活塞式流量计等，但是钟罩式流量装置无法达到微小流量；活塞式流量计采用轻质材料活塞，光洁度不足，只能增大缝隙以减小摩擦。但无法解决泄漏流量问题，导致精度较低；水银密封活塞式流量计在上述结构的基础上增加水银密封，解决了泄漏流量问题，但水银会流入流量计，造成测量误差，且易污染工作环境。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种可测量小微流量且测量精度高的小微气体流量发生器。

本发明的技术方案为：

一种小微气体流量发生器，包括工作腔体13，所述工作腔体3上方连通一顶部开口的活塞筒1，所述活塞筒1内壁分别设置上活塞环15和下活塞环14；所述活塞筒1内设有与上活塞环15和下活塞环14配合的活塞16；所述活塞筒1的侧壁设置开孔17，所述开孔17通过管道连通可变容积的补偿容器3；所述补偿容器3与工作腔体13分别通过管道连通洁净气源5；所述补偿容器3与洁净气源5之间的管道上以及工作腔体13与洁净气源5之间的管道上均设有截止阀；所述工作腔体13还通过管道连通监视流量计7，所述工作腔体13与监视流量计7之间的管道上也设有截止阀；所述监视流量计7后面的管道上设有流量调节阀10；所述活塞16的正上方设有位移测量仪2。

作为优选方案，所述工作腔体13内设有温度测量仪6。

进一步地，还包括控制装置4，所述控制装置4通过总线12分别连通位移测量仪2、温度测量仪6、流量调节阀10和截止阀。

作为优选方案，所述活塞16呈圆柱形。

作为优选方案，所述活塞16为金属活塞。

作为优选方案，所述上活塞环15、下活塞环14和活塞16表面光滑。

作为优选方案，所述位移测量仪2为非接触式位移测量仪。

采用所述小微气体流量发生器测试发生器的输出流量的方法，包括步骤：

1）在流量调节阀10关闭状态下，连通工作腔体13与补偿容器3，用洁净气源5对系统缓缓充气，直至活塞16升至最高点；

2）打开流量调节阀10，调节至预定流量，然后切断补偿容器3与工作腔体13的气路；

3）用位移测量仪2测量活塞16下降的距离及所用的时间；

4）根据测量数据及活塞16尺寸计算出发生器的输出流量。

工作原理：

本发明发生器的核心组件为一副竖直的活塞系统，活塞筒中部开一侧孔，上下两端各有一个活塞环，侧孔外接补偿容器。

活塞环与活塞的间隙应足够小，以保证从间隙泄漏的气体足够小。活塞环与活塞表面均应足够光滑，保证活塞在自由悬浮状态下，其受到的竖起方向摩擦力现其重力相比足够小，可忽略不计。

发生器工作腔体除通过流量调节阀和活塞间隙与外界有气体交换外，其他机构应保持密封。

工作压力的计算：

发生器在工作状态下，活塞所受机械摩擦力忽略不计，处于自由悬浮状态，金属活塞的自重产生腔体的静压（工作压力）压力保持恒定。

式中：

P ₀——工作压力（工作腔体中的）

m——活塞的质量

g——重力加速度

A——活塞有效面积

ρ _k——空气密度

ρ _m——活塞材料密度

f ——活塞筒与活塞之间的机械摩擦力（≈0）

输出流量的计算：

当气路通畅、流量调节阀出口无阻挡时，通过流量调节阀输出的流量与腔体中的工作压力有关（因流速较低，按不可压缩流体计算，下同）：

此式中：

Q _v——输出流量

C _d——流量系数，与小孔的尺寸有关

A——节流孔面积

P ₀——工作压力

ρ——空气密度

由上式可知，输出流量的稳定度取决于工作腔体工作压力的稳定度。

流量平衡

在工作状态下（工作腔体13与监视流量计7之间的截止阀9打开，述补偿容器3与洁净气源5之间截止阀11以及工作腔体13与洁净气源5之间的截止阀8关闭），工作腔体13与外界流量交换共有三股流量：

Q _out——流量调节阀输出流量

Q _ΔP——由于活塞与活塞筒之间存在缝隙和压差，而产生向上的流量，以下称为“差压流量”。

Q _n——流量调节阀打开时，活塞因自重而向下运动，同时输出流量。由于气体与活塞之间存在粘滞摩擦力，而产生的随活塞向下的流量，以下简称剪切流。

式中：

v——活塞的运动速度

A _p——活塞的截面积。

速度v通过高精度非接触位移测量仪测量位移和时间得到。活塞的截面积可用高精度几何测量方法得到。

v * A _p是发生器输出流量的指示值，Q _out是其实际值（未知）。

输出流量测量的准确度与位移测量、时间测量和活塞截面积测量有关。活塞的圆度和圆柱度也影响活塞截面积的准确度。

发生器的流量误差为：

发生器的流量误差与压差流量和剪切流量相关。

1）工作腔体工作压力的稳定度直接决定了输出流量的稳定度，因此需要对活塞系统进行精密研磨尽量减小其机械摩擦力；

2）尽可能高的活塞圆度和圆柱度；

利用活塞自重驱动活塞运动，避免外力干扰；

3）采用高精度位移测量仪，如激光测位移传感器、光电位移传感器、光栅尺等；

4）采用补偿容器减小通过活塞下环间隙的流量；

综上分析，发生器的流量误差与压差流量和剪切流量相关”，本发明采用补偿容器的方法减小ΔQ以保证测量精度。

补偿过程如下：

a.测量开始时，补偿容器与工作腔体压力相等；

b.开始后，发生器开始输出流量，活塞以速度v下降。

由于上活塞环两端存在压差，补偿容器中的气体泄漏到大气中：

同时，由于空气存在粘性，形成由上向下的剪切流量：

由于q _n上<<q _Δp上，故补偿容器中的压力逐渐减小，在下活塞环两端中形成的差压（Δ P _下）。于是下活塞环中也存在两股流量：

一、由于下环两端存在压差，从腔体中气体流向补偿容器的流量：

二、由于空气存在粘性，引起下环中由上向下（从补偿容器流向腔体）的剪切流量：

当活塞系统的尺寸、工作压力、输出流量确定后，q _ΔP下与补偿容器的容积大小有关。当：

时，

则发生器的流量误差：

本发明的设计要点为：

1、本发明利用金属活塞自重驱动的活塞式流量计，以保证工作静压力的高度稳定，并避免外部因素干扰；

2、活塞筒带侧孔的流量计结构；

带侧孔的活塞筒实际上等于上、下两个活塞，避免了工作活塞环（下活塞环）的开口直接与大气相通。

3、采用补偿容器的流量测量方法。

补偿容器的作用是减小并形成适当的下活塞环两端压差。使流过下活塞环缝隙的流量尽量小。

本发明的有益效果为：

本发明的小微气体流量发生器，可测量在1mL/min～100 mL/min范围产生不确定度优于10^-3的稳定流量，用于校准对应测量范围的0.5级或更高等级的小、微气体流量计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明小微气体流量发生器的结构示意图；

图2为本发明中补偿容器补偿过程的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1，图2所示，一种小微气体流量发生器，包括工作腔体13，工作腔体13内设有温度测量仪6。工作腔体13上方连通一顶部开口的活塞筒1，活塞筒1内壁分别设置上活塞环15和下活塞环14；活塞筒1内设有与上活塞环15和下活塞环14配合的圆柱形金属活塞16。

上活塞环15和下活塞环14与活塞16的间隙应足够小，以保证从间隙泄漏的气体足够小。上活塞环15和下活塞环14与活塞16表面均应足够光滑，保证活塞在自由悬浮状态下，其受到的竖起方向摩擦力现其重力相比足够小，可忽略不计。

活塞筒1的侧壁设置开孔17，开孔17通过管道连通补偿容器3；补偿容器3与工作腔体13分别通过管道连通洁净气源5。

补偿容器3与洁净气源5之间的管道上设有第一截止阀11，工作腔体13与洁净气源5之间的管道上均设有第二截止阀8；工作腔体13还通过管道连通监视流量计7，工作腔体13与监视流量计7之间的管道上也设有第三截止阀9；监视流量计7后面的管道上设有流量调节阀10。

为了精确测量活塞16在一定时间内的位移量，活塞16的正上方设有位移测量仪2。位移测量仪2为非接触式位移测量仪，如激光测位移传感器、光电位移传感器、光栅尺等。

本发明包括控制装置4，控制装置4通过总线12分别连通位移测量仪2、温度测量仪6、流量调节阀10和第一截止阀11、第二截止阀8、第三截止阀9。

采用小微气体流量发生器测试发生器的输出流量的方法，包括步骤：

3）用位移测量仪2测量活塞16下降的距离及所用的时间；

4）根据测量数据及活塞16尺寸计算出发生器的输出流量。

工作压力的计算：

式中：

P ₀——工作压力（工作腔体中的）

m——活塞的质量

g——重力加速度

A——活塞有效面积

ρ _k——空气密度

ρ _m——活塞材料密度

f ——活塞筒与活塞之间的机械摩擦力（≈0）

输出流量的计算：

此式中：

Q _v——输出流量

C _d——流量系数，与小孔的尺寸有关

A——节流孔面积

P ₀——工作压力

ρ——空气密度

Claims

1.一种小微气体流量发生器，包括工作腔体（13），其特征在于：所述工作腔体（13）上方连通一顶部开口的活塞筒（1），所述活塞筒（1）内壁分别设置上活塞环（15）和下活塞环（14）；所述活塞筒（1）内设有与上活塞环（15）和下活塞环（14）配合的活塞（16）；所述活塞筒（1）的侧壁设置开孔（17），所述开孔（17）通过管道连通可变容积的补偿容器（3）；所述补偿容器（3）与工作腔体（13）分别通过管道连通洁净气源（5）；所述补偿容器（3）与洁净气源（5）之间的管道上以及工作腔体（13）与洁净气源（5）之间的管道上均设有截止阀；所述工作腔体（13）还通过管道连通监视流量计（7），所述工作腔体（13）与监视流量计（7）之间的管道上也设有截止阀；所述监视流量计（7）后面的管道上设有流量调节阀（10）；所述活塞（16）的正上方设有位移测量仪（2）；所述上活塞环（15）、下活塞环（14）和活塞（16）表面光滑；

采用上述小微气体流量发生器测试发生器的输出流量的方法，包括步骤：1）在流量调节阀（10）关闭状态下，连通工作腔体（13）与补偿容器（3），用洁净气源（5）对系统缓缓充气，直至活塞（16）升至最高点；2）打开流量调节阀（10），调节至预定流量，然后切断补偿容器（3）与工作腔体（13）的气路；3）用位移测量仪（2）测量活塞（16）下降的距离及所用的时间；4）根据测量数据及活塞（16）尺寸计算出发生器的输出流量。

2.如权利要求1所述小微气体流量发生器，其特征在于：所述工作腔体（13）内设有温度测量仪（6）。

3.如权利要求2所述小微气体流量发生器，其特征在于：还包括控制装置（4），所述控制装置（4）通过总线（12）分别连通位移测量仪（2）、温度测量仪（6）、流量调节阀（10）和截止阀。

4.如权利要求1所述小微气体流量发生器，其特征在于：所述活塞（16）呈圆柱形。

5.如权利要求1或4所述小微气体流量发生器，其特征在于：所述活塞（16）为金属活塞。

6.如权利要求1所述小微气体流量发生器，其特征在于：所述位移测量仪（2）为非接触式位移测量仪。

7.采用如权利要求1所述小微气体流量发生器测试发生器的输出流量的方法，其特征在于，包括步骤：1）在流量调节阀（10）关闭状态下，连通工作腔体（13）与补偿容器（3），用洁净气源（5）对系统缓缓充气，直至活塞（16）升至最高点；2）打开流量调节阀（10），调节至预定流量，然后切断补偿容器（3）与工作腔体（13）的气路；3）用位移测量仪（2）测量活塞（16）下降的距离及所用的时间；4）根据测量数据及活塞（16）尺寸计算出发生器的输出流量。