CN107830914B - 一种双通道对称结构的微流量校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双通道对称结构的微流量校准装置和方法，该装置由供气系统、截止阀、针阀、压力计、监测压力计、抽气系统、流量校准室、流量比较室、温度采集系统、体积补偿系统、微流量测量仪器组成，通过管路连接构建了左右两个对称布置的通道，对称通道的形状对称，几何尺寸相同。结合体积补偿系统，通过分阶段测量，将出口压力、气体类型与温度对测量的影响降到最低，实现不同出口压力下、不同气体、不同温度下的微流量测量仪器的精确校准。

Description

一种双通道对称结构的微流量校准装置及方法

技术领域

本发明涉及一种双通道对称结构的微流量校准装置及方法，属于测量领域。

背景技术

作为一种用于气体微流量测量和控制的仪器，微流量测量仪器广泛应用航天、航空、电子、核能、半导体微电子工业、特种材料研制、化学工业、石油工业、医药、环保和真空等多种领域的科研和生产中。为了保证微流量测量的可靠性，国内外许多实验室都建立了校准微流量的标准装置，采用的校准方法主要有定容法、恒压法、流量计比较法等。定容法是将微流量测量仪器流出的被校流量直接引入定容室，测量单位时间内定容室内压力变化而获得标准流量的方法；恒压法是将微流量测量仪器流出的被校流量引入变容室，压力不变情况下测量单位时间内变容室体积变化而获得标准流量的方法；流量计比较法是将流量计流出的标准流量与被校微流量测量仪器流出的流量进行比较实现校准。以上三种方法主要应用于微流量测量仪器出口压力为真空的条件，尚未解决额定出口压力的条件下微流量测量仪器的精确校准；而且以上方法中没有考虑微流量测量仪器的流量温度修正，实际使用过程中被校流量指的是一定温度条件下的流量值。

因此，为满足对出口压力、气体、温度等特殊要求的微流量测量仪器的校准，需要设计一种微流量校准装置，实现不同出口压力下、不同气体、不同温度下的微流量测量仪器的精确校准。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种双通道对称结构的微流量校准装置及方法，能够实现不同出口压力下、不同气体、不同温度下的微流量测量仪器的精确校准。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种双通道对称结构的微流量校准装置，被校件为微流量测量仪器，该装置包括：

第一供气系统通过截止阀A1与被校准的微流量测量仪器连接，为微流量测量仪器提供入口压力；第二供气系统通过串联的针阀和截止阀F连接标准容积，标准容积进一步通过截止阀E1和截止阀B1与微流量测量仪器连接，为微流量测量仪器提供出口压力；

流量校准室一端通过截止阀C1接入截止阀B1与截止阀E1之间的管路，另一端通过截止阀D1及截止阀I与抽气系统连接；流量比较室一端通过截止阀C2与截止阀E2接入标准容积，另一端通过截止阀D2及截止阀I与抽气系统连接；流量校准室及流量比较室之间通过截止阀H隔断；截止阀C2和截止阀E2之间的管路通过三通引出一段管路，该管路自由端连接截止阀B2；

流量校准室的主体分别与第一压力计、第一监测压力计连接，用于测量流量校准室的压力变化及监测本底压力；流量比较室的主体分别与第三压力计、第二监测压力计连接，用于测量流量比较室的压力变化及监测本底压力；标准容积的主体与第二压力计相连；第一温度采集系统和第二温度采集系统分别用于测量流量校准室及流量比较室内气体的温度，温度采集系统中的温度传感器直接插入流量校准室及流量比较室内部；

流量校准室、截止阀B1、截止阀C1、截止阀E1、截止阀D1、截止阀I、截止阀H及其之间的管路组成第一通道；流量比较室、截止阀B2、截止阀C2、截止阀E2、截止阀D2、截止阀I、截止阀H及其之间的管路组成第二通道；第一通道和第二通道左右对称布置，形状对称，几何尺寸相同；

体积补偿系统通过截止阀G与流量比较室连接，用于补偿微流量测量仪器与截止阀B1之间接头的体积损失。

优选地，第一供气系统的供气口进一步通过截止阀A2与另一个微流量测量仪器连接，该另一个微流量测量仪器的出口连接截止阀B2。

优选地，第一供气系统在供气过程中气体压力变化不大于5％。

优选地，流量校准室及流量比较室的容积差不大于0.1％。

优选地，两个温度采集系统采用嵌入式结构，传感器直接伸入流量校准室及流量比较室，传感器与器壁采用金属密封。

优选地，标准容积采用注水称重法进行精确测量。

优选地，体积补偿系统包括驱动机构和可伸缩波纹管，驱动机构驱动可伸缩波纹管容积变化。

本发明还提供了一种双通道对称结构的微流量校准方法，基于上述任意一项微流量校准装置进行一个微流量测量仪器的高精度校准，在校准过程中，截止阀B2一直处于关闭状态，其特征在于，高精度校准过程包括如下步骤：

步骤1、启动抽气系统，打开除了供气系统出口所连接的截止阀和截止阀B2之外的其他截止阀，抽除流量校准室、标准容积及流量比较室中的气体；

步骤2、打开被校的微流量测量仪器，并进行预热；

步骤3、关闭截止阀；

步骤4、打开针阀和截止阀F，向已知容积为V的标准容积中充气至压力p₁，然后关闭针阀和截止阀F；打开截止阀B1、截止阀C1、截止阀E1，稳定后采用第一压力计测量压力为p₂，则流量校准室的有效容积V₈按公式计算：

步骤5、关闭截止阀E1，打开针阀、截止阀F，向已知容积为V的标准容积中充气至压力为p₃，然后关闭针阀和截止阀F；打开截止阀C2、截止阀E2、截止阀G，稳定后采用第三压力计测量压力为p₄，则流量比较室的有效容积V₂₆按公式计算：

通过调节体积补偿系统，改变V₂₆的值，重复测量V₂₆，直到使得V₂₆＝V₈，完成了准备工作；

步骤6、开始校准后，打开除了供气系统出口所连接的截止阀和截止阀B2之外的其他截止阀，抽除流量校准室、标准容积及流量比较室中的气体；

步骤7、关闭截止阀D1和截止阀D2，打开针阀和截止阀F，调节针阀，使得流量校准室、标准容积及流量比较室中气体压力为P，P为微流量测量仪器要求的出口额定压力，并保持压力稳定；

步骤8、关闭截止阀E2和截止阀H，记录第三压力计示值为P₅、第二温度采集系统示值为T₁，计算此时T₁温度下流量比较室中的气体量I₁：

I₁＝P₅V₂₆ (3)

步骤9、关闭阀门E1，打开截止阀B1，将微流量测量仪器中流出的气体引入流量校准室，Δt时间后记录第一压力计示值为P₆、第一温度采集系统的示值为T₂，记录微流量测量仪器示值为Q_L，计算此时T₂温度下流量校准室中的气体量I₂：

I₂＝P₆V₈ (4)

步骤10、将T₁温度下流量比较室中的气体量I₁修正至T₂温度下，则修正后的气体量为I₃：

步骤11、计算T₂温度下微流量测量仪器的标准值：

步骤12、计算T₂温度、P出口压力条件下的微流量测量仪器校准系数C：

从而实现了T₂温度、P出口压力条件下的微流量测量仪器精确校准。

优选地，在第一供气系统的供气口进一步连接截止阀A2，截止阀A2和截止阀B2之间连接另一个被校的微流量测量仪器，那么所述的微流量校准装置进一步用于同时接入两个微流量测量仪器，进行普通校准；

校准时，先通过关闭截止阀E1、截止阀E2、截止阀D2和截止阀H将第二通道从装置中隔离出来，采用流量校准室以定容升压法校准一个微流量测量仪器；

然后，采用关闭截止阀E1、截止阀E2、截止阀D1和截止阀H将第一通道从装置中隔离出来，采用流量比较室以定容升压法校准另一个微流量测量仪器。

有益效果：

本发明双通道对称结构，通过分阶段测量，将出口压力、气体类型与温度对测量的影响降到最低，实现不同出口压力下、不同气体、不同温度下的微流量测量仪器的精确校准。

附图说明

图1为本发明实施例一双通道对称结构的微流量校准装置的结构示意图。

图2为本发明实施例二双通道对称结构的微流量校准装置的结构示意图。

1-第一供气系统，11-第二供气系统，2-截止阀A1，4-截止阀B1，5-截止阀C1，10-截止阀D1，13-截止阀F，15-截止阀E1，17-截止阀E2，18-截止阀A2，20-截止阀B2，21-截止阀C1，24-截止阀G，25-截止阀H，30-截止阀D2，31-截止阀I，3-微流量测量仪器，19-另一个微流量测量仪器，6-第一压力计，14-第二压力计，27-第三压力计，7第一监测压力计，28-第二监测压力计，8-流量校准室，9-第一温度采集系统，29-第二温度采集系统，12-针阀、16-标准容积，26-流量比较室，22、23-体积补偿系统，32-抽气系统。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

图1为本发明双通道对称结构的微流量校准装置实施例一的示意图，如图1所示，该装置包括：

第一供气系统1通过截止阀A1 2与被校准的微流量测量仪器3连接，为微流量测量仪器3提供入口压力；第二供气系统11通过串联的针阀12和截止阀F13连接标准容积16，标准容积16进一步通过截止阀E1 15和截止阀B1 4与微流量测量仪器3连接，为微流量测量仪器3提供出口压力。

流量校准室8一端通过截止阀C1 5接入截止阀B1 4与截止阀E1 15之间的管路，另一端通过截止阀D1 10及截止阀I 31与抽气系统32连接；流量比较室26一端通过截止阀C221与截止阀E2 17接入标准容积16，另一端通过截止阀D2 30及截止阀I 31与抽气系统32连接；流量校准室8及流量比较室26之间通过截止阀H 25隔断；截止阀C2 21和截止阀E2 17之间的管路通过三通引出一段管路，该管路自由端连接截止阀B2 20。

流量校准室8的主体分别与第一压力计6、第一监测压力计7连接，用于测量流量校准室8的压力变化及监测本底压力；流量比较室26的主体分别与第三压力计27、第二监测压力计28连接，用于测量流量比较室26的压力变化及监测本底压力；标准容积16的主体与第二压力计14相连；第一温度采集系统9和第二温度采集系统29分别用于测量流量校准室8及流量比较室26内气体的温度。两个温度采集系统9、29采用嵌入式结构，传感器直接伸入流量校准室8及流量比较室26，传感器与器壁采用金属密封。

流量校准室8、截止阀B1、截止阀C1、截止阀E1、截止阀D1、截止阀I、截止阀H及其之间的管路组成第一通道；流量比较室26、截止阀B2、截止阀C2、截止阀E2、截止阀D2、截止阀I、截止阀H及其之间的管路组成第二通道；第一通道和第二通道左右对称布置，形状对称，几何尺寸相同。

体积补偿系统22,23通过截止阀G 24与流量比较室26连接，用于补偿微流量测量仪器3与截止阀B1之间接头的体积损失。优选地，体积补偿系统包括驱动机构22和可伸缩波纹管23，驱动机构22驱动可伸缩波纹管容积变化。

上述所有管道、截止阀、针阀、稳压室、流量校准室、流量比较室及其密封结构等采用的材料均为不锈钢。

为了保证稳定性，第一供气系统1在供气过程中气体压力变化不大于5％。

为了保证对称性，流量校准室8及流量比较室26的容积差不大于0.1％。

为了保证准确性，标准容积16采用注水称重法进行精确测量后使用。

上述双通道对称结构的微流量校准装置可以实现单个微流量测量仪器的高精度校准，在校准过程中，截止阀B2一直处于关闭状态，该高精度校准过程包括如下步骤：

步骤1、启动抽气系统32，打开除了供气系统出口所连接的截止阀和截止阀B2之外的其他截止阀(即打开截止阀4、5、10、15、17、21、24、25、30、31)，抽除流量校准室8、标准容积16及流量比较室26中的气体。

步骤2、打开被校的微流量测量仪器3，并进行预热30min。

步骤3、关闭截止阀4、5、10、15、17、21、24、25、30、31；

步骤4、打开针阀12和截止阀F，向已知容积为V的标准容积16中充气至压力p₁，然后关闭针阀12和截止阀F；打开截止阀B1、截止阀C1、截止阀E1，稳定后采用第一压力计6测量压力为p₂，则流量校准室8的有效容积V₈按公式(1)计算：

步骤5、关闭截止阀E1，打开针阀12、截止阀F，向已知容积为V的标准容积16中充气至压力为p₃，然后关闭针阀12和截止阀F；打开截止阀C2、截止阀E2、截止阀G，稳定后采用第三压力计27测量压力为p₄，则流量比较室26的有效容积V₂₆按公式2计算：

通过调节体积补偿系统，改变V₂₆的值，重复测量V₂₆，直到使得V₂₆＝V₈，完成了准备工作；

步骤6、开始校准后，打开除了供气系统出口所连接的截止阀和截止阀B2之外的其他截止阀，抽除流量校准室8、标准容积16及流量比较室26中的气体；

步骤7、关闭截止阀D1和截止阀D2，打开针阀12和截止阀F，调节针阀12，使得流量校准室8、标准容积16及流量比较室26中气体压力为P，P为微流量测量仪器3要求的出口额定压力，并保持压力稳定；

步骤8、关闭截止阀E2和截止阀H，记录第三压力计27示值为P₅、第二温度采集系统29示值为T₁，计算此时T₁温度下流量比较室26中的气体量I₁：

I₁＝P₅V₂₆ (3)

步骤9、关闭阀门E1，打开截止阀B1，将微流量测量仪器3中流出的气体引入流量校准室8，Δt时间后记录第一压力计6示值为P₆、第一温度采集系统9的示值为T₂，记录微流量测量仪器3示值为Q_L，计算此时T₂温度下流量校准室8中的气体量I₂：

I₂＝P₆V₈ (4)

步骤10、将T₁温度下流量比较室26中的气体量I₁修正至T₂温度下，则修正后的气体量为I₃：

步骤11、计算T₂温度下微流量测量仪器3的标准值：

步骤12、计算T₂温度、P出口压力条件下的微流量测量仪器3校准系数C：

从而实现了T₂温度、P出口压力条件下的微流量测量仪器3精确校准。

至此，本流程结束。

图2为本发明双通道对称结构的微流量校准装置第二实施例的组成框图。该实施例接入了另一个微流量测量仪器19，采用该微流量校准装置可以同时接入两个微流量测量仪器进行校准，但并非高精度校准，是按照常规的校准方法实现的普通校准。如图2所示，第一供气系统1的供气口进一步通过截止阀A2与另一个微流量测量仪器19连接，该另一个微流量测量仪器19的出口连接截止阀B2。

在进行两个微流量测量仪器的普通校准时，先通过关闭截止阀E1、截止阀E2、截止阀D2和截止阀H将第二通道从装置中隔离出来，采用流量校准室8以定容升压法校准一个微流量测量仪器3；

然后，采用关闭截止阀E1、截止阀E2、截止阀D1和截止阀H将第一通道从装置中隔离出来，采用流量比较室26以定容升压法校准另一个微流量测量仪器19。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双通道对称结构的微流量校准装置，被校件为微流量测量仪器，其特征在于，该装置包括：

第一供气系统(1)通过截止阀A1与被校准的微流量测量仪器(3)连接，为微流量测量仪器(3)提供入口压力；第二供气系统(11)通过串联的针阀(12)和截止阀F连接标准容积(16)，标准容积(16)进一步通过截止阀E1和截止阀B1与微流量测量仪器(3)连接，为微流量测量仪器(3)提供出口压力；

流量校准室(8)一端通过截止阀C1接入截止阀B1与截止阀E1之间的管路，另一端通过截止阀D1及截止阀I与抽气系统(32)连接；流量比较室(26)一端通过截止阀C2与截止阀E2接入标准容积(16)，另一端通过截止阀D2及截止阀I与抽气系统(32)连接；流量校准室(8)及流量比较室(26)之间通过截止阀H隔断；截止阀C2和截止阀E2之间的管路通过三通引出一段管路，该管路自由端连接截止阀B2；

流量校准室(8)的主体分别与第一压力计(6)、第一监测压力计(7)连接，用于测量流量校准室(8)的压力变化及监测本底压力；流量比较室(26)的主体分别与第三压力计(27)、第二监测压力计(28)连接，用于测量流量比较室(26)的压力变化及监测本底压力；标准容积(16)的主体与第二压力计(14)相连；第一温度采集系统(9)和第二温度采集系统(29)分别用于测量流量校准室(8)及流量比较室(26)内气体的温度，温度采集系统中的温度传感器直接插入流量校准室(8)及流量比较室(26)内部；

流量校准室(8)、截止阀B1、截止阀C1、截止阀E1、截止阀D1、截止阀I、截止阀H及其之间的管路组成第一通道；流量比较室(26)、截止阀B2、截止阀C2、截止阀E2、截止阀D2、截止阀I、截止阀H及其之间的管路组成第二通道；第一通道和第二通道左右对称布置，形状对称，几何尺寸相同；

体积补偿系统(22、23)通过截止阀G与流量比较室(26)连接，用于补偿微流量测量仪器(3)与截止阀B1之间接头的体积损失；

第一供气系统(1)的供气口进一步通过截止阀A2与另一个微流量测量仪器(19)连接，该另一个微流量测量仪器(19)的出口连接截止阀B2；

第一供气系统(1)在供气过程中气体压力变化不大于5％。

2.权利要求1所述的一种双通道对称结构的微流量校准装置，其特征在于，流量校准室(8)及流量比较室(26)的容积差不大于0.1％。

3.权利要求1所述的一种双通道对称结构的微流量校准装置，其特征在于，两个温度采集系统(9、29)采用嵌入式结构，传感器直接伸入流量校准室(8)及流量比较室(26)，传感器与器壁采用金属密封。

4.权利要求1所述的一种双通道对称结构的微流量校准装置，其特征在于，标准容积(16)采用注水称重法进行精确测量。

5.权利要求1所述的一种双通道对称结构的微流量校准装置，其特征在于，体积补偿系统(22、23)包括驱动机构(22)和可伸缩波纹管(23)，驱动机构(22)驱动可伸缩波纹管容积变化。

6.一种双通道对称结构的微流量校准方法，基于如权利要求1～5任意一项所述的微流量校准装置进行一个微流量测量仪器的高精度校准，在校准过程中，截止阀B2一直处于关闭状态，其特征在于，高精度校准过程包括如下步骤：

步骤1、启动抽气系统(32)，打开除了供气系统出口所连接的截止阀和截止阀B2之外的其他截止阀，抽除流量校准室(8)、标准容积(16)及流量比较室(26)中的气体；

步骤2、打开被校的微流量测量仪器(3)，并进行预热；

步骤3、关闭截止阀；

步骤4、打开针阀(12)和截止阀F，向已知容积为V的标准容积(16)中充气至压力p₁，然后关闭针阀(12)和截止阀F；打开截止阀B1、截止阀C1、截止阀E1，稳定后采用第一压力计(6)测量压力为p₂，则流量校准室(8)的有效容积V₈按公式(1)计算：

步骤5、关闭截止阀E1，打开针阀(12)、截止阀F，向已知容积为V的标准容积(16)中充气至压力为p₃，然后关闭针阀(12)和截止阀F；打开截止阀C2、截止阀E2、截止阀G，稳定后采用第三压力计(27)测量压力为p₄，则流量比较室(26)的有效容积V₂₆按公式(2)计算：

通过调节体积补偿系统，改变V₂₆的值，重复测量V₂₆，直到使得V₂₆＝V₈，完成了准备工作；

步骤6、开始校准后，打开除了供气系统出口所连接的截止阀和截止阀B2之外的其他截止阀，抽除流量校准室(8)、标准容积(16)及流量比较室(26)中的气体；

步骤7、关闭截止阀D1和截止阀D2，打开针阀(12)和截止阀F，调节针阀(12)，使得流量校准室(8)、标准容积(16)及流量比较室(26)中气体压力为P，P为微流量测量仪器(3)要求的出口额定压力，并保持压力稳定；

步骤8、关闭截止阀E2和截止阀H，记录第三压力计(27)示值为P₅、第二温度采集系统(29)示值为T₁，计算此时T₁温度下流量比较室(26)中的气体量I₁：

I₁＝P₅V₂₆ (3)

步骤9、关闭阀门E1，打开截止阀B1，将微流量测量仪器(3)中流出的气体引入流量校准室(8)，Δt时间后记录第一压力计(6)示值为P₆、第一温度采集系统(9)的示值为T₂，记录微流量测量仪器(3)示值为Q_L，计算此时T₂温度下流量校准室(8)中的气体量I₂：

I₂＝P₆V₈ (4)

步骤10、将T₁温度下流量比较室(26)中的气体量I₁修正至T₂温度下，则修正后的气体量为I₃：

步骤11、计算T₂温度下微流量测量仪器(3)的标准值：

步骤12、计算T₂温度、P出口压力条件下的微流量测量仪器(3)校准系数C：

从而实现了T₂温度、P出口压力条件下的微流量测量仪器(3)精确校准。

7.权利要求6所述的一种双通道对称结构的微流量校准方法，其特征在于，在第一供气系统(1)的供气口进一步连接截止阀A2，截止阀A2和截止阀B2之间连接另一个被校的微流量测量仪器(19)，那么所述的微流量校准装置进一步用于同时接入两个微流量测量仪器，进行普通校准；

校准时，先通过关闭截止阀E1、截止阀E2、截止阀D2和截止阀H将第二通道从装置中隔离出来，采用流量校准室(8)以定容升压法校准一个微流量测量仪器(3)；

然后，采用关闭截止阀E1、截止阀E2、截止阀D1和截止阀H将第一通道从装置中隔离出来，采用流量比较室(26)以定容升压法校准另一个微流量测量仪器(19)。

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