CN115574899B - 一种被动式活塞气体流量标准装置的温度控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动式活塞气体流量标准装置的温度控制系统及方法，系统包括被动式活塞气体流量标准装置、标准活塞缸温度控制设备和入气口管路温度控制设备。本发明建立了可对被动式活塞气体流量标准装置的标准活塞缸和气体管路进行温度控制的温度控制系统，通过对标准活塞缸进行温度控制，降低了活塞匀速运动过程中标准活塞缸内的气体温度变化量，保证了对标准活塞缸内气体温度的准确测量，提高了多次实验测量的可重复性，从而整体提高了活塞装置在微小流量上的测量准确度水平，而通过对气体管路进行温度控制，降低了被动活塞式气体流量标准装置热平衡时间及实验前预通气时间，大大提高了测量效率。

Description

一种被动式活塞气体流量标准装置的温度控制系统及方法

技术领域

本发明涉及被动式活塞气体流量标准装置控制领域，具体涉及一种被动式活塞气体流量标准装置的温度控制系统及方法。

背景技术

现阶段微小气体流量的计量溯源手段较少，目前主流的微小气体流量溯源手段是活塞气体流量标准装置、小型钟罩气体流量标准装置和皂膜气体流量标准装置。活塞式气体流量标准装置的结构简单，与钟罩气体流量标准装置和皂膜气体流量标准装置相比，压力范围宽、对湿度的影响低、准确度高，活塞气体流量标准装置在微小气体流量测量中具有明显优势。

活塞气体流量标准装置分为主动式和被动式，被动式活塞气体流量标准装置(可简称“被动式活塞装置”)采用水银密封可以真正做到气体绝对零泄漏，从而保证装置在mL/min的微小流量量级上保持较高的准确度。传统的被动式活塞装置正常工作过程中，通过调节装置上游的流量调节阀和压力调节阀，产生持续平稳的气体进入活塞缸内推动活塞向上做匀速运动，但在微小流量测量时，很难保证有持续平稳的气体推动活塞向上做匀速运动，其原因是管路内流量较小，与外界对流换热的传热系数较小，管路内温度稳定的速度较慢，热平衡时间较长，流量很难稳定，测量效率较低。同时，微小流量的气体进入活塞缸内，推动活塞向上运动的速度较慢，运行时间较长，持续流入活塞缸内的气体与外部环境不断进行热交换，活塞在一次完整的行程内，活塞缸内的气体温度变化较大，降低了对温度测量的准确度，多次实验测量的重复性也较差，从而整体降低了活塞装置在微小流量上的测量准确度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种被动式活塞气体流量标准装置的温度控制系统及方法，可以对被动式活塞气体流量标准装置的标准活塞缸和入气口管路进行温度控制，降低被动活塞式气体流量标准装置热平衡时间，提高被动活塞式气体流量标准装置在微小流量上的测量准确度和测量效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种被动式活塞气体流量标准装置的温度控制系统，包括被动式活塞气体流量标准装置、标准活塞缸温度控制设备和入气口管路温度控制设备；

被动式活塞气体流量标准装置包括供压缩空气进入的入气口管路、串联在入气口管路上的被检流量计以及连接于所述入气口管路的标准活塞缸，标准活塞缸内设有活塞；

所述标准活塞缸温度控制设备包括标准活塞缸储存柜、绝热风管一和温度控制器一；标准活塞缸设于所述标准活塞缸储存柜内；所述温度控制器一的出气口通过绝热风管一与所述标准活塞缸储存柜的下端相连通，所述温度控制器一的回气口通过另一绝热风管一与所述标准活塞缸储存柜的上端相连通；温度控制器一可调节气体的温度大小，温度控制器一将调节温度后的气体持续送入标准活塞缸储存柜内,气体从标准活塞缸储存柜的上端回流至温度控制器一；

所述入气口管路温度控制设备包括绝热风管二、温度控制器二、风量调节阀、风量传感器和温度传感器；所述绝热风管二包裹在标准装置的入气口管路的外部，风量传感器和温度传感器用于测量绝热风管二内气体的风量和温度并反馈至温度控制器二；所述绝热风管二的进气口和出气口分别连通于所述温度控制器二的出气口和回气口；温度控制器二可调控气体的温度并将气体送入绝热风管二，通过绝热风管二内的循环气流对所述入气口管路内气体温度进行调控。

进一步地，所述标准活塞缸温度控制设备还包括有分流箱，所述分流箱设于标准活塞缸储存柜的下端，所述分流箱设有多个分流孔；所述温度控制器一的出气口通过绝热风管一与所述标准活塞缸储存柜下端的分流箱相连通；温度控制器一将调节温度后的气体送入分流箱，气体经分流孔持续流入标准活塞缸储存柜内。

进一步地，被动式活塞气体流量标准装置还包括有被检流量计上游温度传感器、被检流量计上游压力传感器、进气电磁阀、标准活塞缸内温度传感器、标准活塞缸内压力传感器、排气电磁阀、光电开关一和光电开关二；所述入气口管路上沿气体流动方向依次串联有被检流量计、进气电磁阀和排气电磁阀；所述被检流量计上游温度传感器和被检流量计上游压力传感器连接于所述入气口管路的位于被检流量计上游的部分；标准活塞缸的进气口连接于入气口管路位于进气电磁阀和排气电磁阀之间的部分；标准活塞缸内温度传感器和标准活塞缸内压力传感器分别用于测量所述标准活塞缸内气体的温度和压力；所述光电开关一和光电开关二分别设于所述标准活塞缸靠近进气口的一端和靠近出气口的一端；光电开关一和光电开关二与计时器相连，用于触发计时器开始计时与停止计时。

本发明还提供一种利用上述温度控制系统的方法，具体过程为：

(1)实验开始前，标准活塞缸温度控制设备使标准活塞缸储存柜内的温度场持续保持均匀与稳定状态后，调节被动式活塞气体流量标准装置的上游的流量调节阀和压力调节阀，使压缩空气以接近预设的流量值和压力值的状态流过进入入气口管路，并流经被检流量计，然后经进气电磁阀和排气电磁阀流出；

被检流量计上游温度传感器获取被检流量计上游的气体温度，标准活塞缸内温度传感器获取标准活塞缸内的气体温度；

(2)被检流量计上游的气体温度T₁和标准活塞缸内的气体温度T₂存在温度差，所述入气口管路温度控制设备根据该温度差及预设流量值，对入气口管路进行加热或降温，使被检流量计上游的气体温度T₁快速升温或降温至标准活塞缸内的气体温度T₂，当|T₁-T₂|≤0.1℃时，气体压力和温度相对稳定，可认为标准装置达到热平衡，可开始实验；

绝热风管二内气体和入气口管路内气体的换热量按下式计算：

Q＝q_vρC_p(T₁-T₂)                     (1)

式中，Q为换热量，q_v为入气口管路内气体体积流量，ρ为入气口管路内气体密度，C_p为入气口管路内气体比热容；当Q为负，需对入气口管路进行加热，当Q为正，需对入气口管路进行降温；

(3)开始实验时，关闭排气电磁阀，此时，持续平稳的气体进入标准活塞缸内推动活塞向上做匀速运动，当活塞运动至所述光电开关一的位置时，计时器开始计时，当活塞运动至所述光电开关二时计时器停止计时，该过程中标准活塞缸内温度传感器和标准活塞缸内压力传感器获取标准活塞缸内的气体温度和气体压力，由此可以得到活塞在所述光电开关一和所述光电开关二之间匀速运动的时间和该过程中标准活塞缸内气体的平均温度和平均压力；

根据记录得到的数据结果及标准活塞缸的内径、光电开关一和光电开关二之间的距离即可计算得到标准气体流量：

式中，d为标准活塞缸的内径，单位m；T_s为标准状态下气体温度，293.15K；q_s为标准状态下标准气体流量，单位m³/s；L为活塞运动的有效距离，单位m；t为活塞在光电开关一和光电开关二之间运行的时间，单位s；T为标准活塞缸内气体的平均温度，单位K；p_s为标准状态下气体压力，101325Pa；p为标准活塞缸内气体的平均压力，单位Pa。

本发明的有益效果在于：本发明建立了可对被动式活塞气体流量标准装置的标准活塞缸和气体管路进行温度控制的温度控制系统，通过对标准活塞缸进行温度控制，降低了活塞匀速运动过程中标准活塞缸内的气体温度变化量，保证了对标准活塞缸内气体温度的准确测量，提高了多次实验测量的可重复性，从而整体提高了活塞装置在微小流量上的测量准确度水平，而通过对气体管路进行温度控制，降低了被动活塞式气体流量标准装置热平衡时间及实验前预通气时间，大大提高了测量效率。

附图说明

图1为本发明实施例1温度控制系统中被动式活塞气体流量标准装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1温度控制系统中标准活塞缸温度控制设备的结构示意图；

图3为本发明实施例1温度控制系统中入气口管路温度控制设备的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

实施例1

本实施例提供一种被动式活塞气体流量标准装置的温度控制系统。

如图1所示，被动式活塞气体流量标准装置包括入气口管路1、被检流量计上游温度传感器2、被检流量计上游压力传感器3、被检流量计4、进气电磁阀5、标准活塞缸内温度传感器6、标准活塞缸内压力传感器7、排气电磁阀8、光电开关一9、活塞10、标准活塞缸11、光电开关二12和出气口13；所述入气口管路1上沿气体流动方向依次串联有被检流量计4、进气电磁阀5和排气电磁阀8；所述被检流量计上游温度传感器2和被检流量计上游压力传感器3连接于所述入气口管路1的位于被检流量计4上游的部分；标准活塞缸1的进气口连接于入气口管路1位于进气电磁阀5和排气电磁阀8之间的部分；所述活塞10位于所述标准活塞缸11内，标准活塞缸内温度传感器6和标准活塞缸内压力传感器7分别用于测量所述标准活塞缸11内气体的温度和压力；所述光电开关一9和光电开关二12分别设于所述标准活塞缸11靠近进气口的一端和靠近出气口13的一端；光电开关一9和光电开关二12与计时器相连，用于触发计时器开始计时与停止计时。

如图2所示，本实施例的被动式活塞气体流量标准装置的温度控制系统包括有标准活塞缸温度控制设备，包括标准活塞缸储存柜14、分流箱15、分流孔16、绝热风管一17和温度控制器一18；标准活塞缸11设于所述标准活塞缸储存柜14内；所述温度控制器一18的出气口通过绝热风管一17与所述标准活塞缸储存柜14下端的分流箱15相连通，所述温度控制器一18的回气口通过另一绝热风管一17与所述标准活塞缸储存柜14的上端相连通；所述分流箱15设有多个分流孔16；温度控制器一18可调节气体的温度大小，温度控制器一将调节温度后的气体送入分流箱15，气体经分流孔16持续流入标准活塞缸储存柜1内,并从标准活塞缸储存柜1的上端回流至温度控制器一16。

随着经温度控制器一16调节温度后的气体在标准活塞缸储存柜14内不断循环，可以使标准活塞缸储存柜14内的温度场持续保持均匀与稳定状态，保证标准活塞缸11内的气体温度在半小时内的变化不超过0.2℃。根据所述标准活塞缸储存柜的容积和换气次数可设计温度控制器一16的通风量。较佳地，标准活塞缸储存柜每小时的换气次数为30-40次。

在本实施例中，所述被动式活塞气体流量标准装置的温度控制系统还包括有入气口管路温度控制设备，如图3所示，所述入气口管路温度控制设备包括绝热风管二19、温度控制器二20、风量调节阀21、风量传感器22和温度传感器23；所述绝热风管二19包裹在标准装置的入气口管路的外部，风量传感器22和温度传感器23用于测量绝热风管二19内气体的风量和温度；所述绝热风管二19的进气口和出气口分别连通于所述温度控制器二20的出气口和回气口；温度控制器二20可调控气体的温度并将气体送入绝热风管二19，通过绝热风管二19内的循环气流对所述入气口管路1内气体温度进行调控，绝热风管二19内气体和入气口管路1内气体的换热量的大小由绝热风管二内循环气流的风量大小控制。

实施例2

本实施例提供一种利用实施例1所述温度控制系统的方法，具体过程为：

(1)实验开始前，调节标准装置的上游的流量调节阀和压力调节阀，使压缩空气以接近预设的流量值和压力值的状态流过进入入气口管路1，并流经被检流量计4，然后经进气电磁阀5和排气电磁阀8流出；

被检流量计上游温度传感器2获取被检流量计4上游的气体温度，标准活塞缸内温度传感器6获取标准活塞缸11内的气体温度；

(2)被检流量计4上游的气体温度T₁和标准活塞缸11内的气体温度T₂存在温度差，所述入气口管路温度控制设备根据该温度差及预设流量值，对入气口管路进行加热或降温，使被检流量计4上游的气体温度T₁快速升温或降温至标准活塞缸内的气体温度T₂，当|T₁-T₂|≤0.1℃时，气体压力和温度相对稳定，可认为标准装置达到热平衡，可开始实验；

绝热风管二19内气体和入气口管路1内气体的换热量(加热量或降温量)按下式计算：

Q＝q_vρC_p(T₁-T₂)                     (1)

式中，Q为换热量，q_v为入气口管路内气体体积流量，ρ为入气口管路内气体密度，C_p为入气口管路内气体比热容。当Q为负，需对入气口管路进行加热，当Q为正，需对入气口管路进行降温。

(3)开始实验时，关闭排气电磁阀8，此时，持续平稳的气体进入标准活塞缸11内推动活塞10向上做匀速运动，当活塞10运动至所述光电开关一9的位置时，计时器开始计时，当活塞运动至所述光电开关二12时计时器停止计时，该过程中标准活塞缸内温度传感器6和标准活塞缸内压力传感器7获取标准活塞缸11内的气体温度和气体压力，由此可以得到活塞10在所述光电开关一9和所述光电开关二12之间匀速运动的时间和该过程中标准活塞缸11内气体的平均温度和平均压力。

根据记录得到的数据结果及标准活塞缸的内径、光电开关一和光电开关二之间的距离(即活塞运动的有效距离)即可计算得到标准气体流量：

式中，d为标准活塞缸的内径，单位m；T_s为标准状态下气体温度，293.15K；q_s为标准状态下标准气体流量，单位m³/s；L为活塞运动的有效距离，单位m；t为活塞在光电开关一和光电开关二之间运行的时间，单位s；T为标准活塞缸内气体的平均温度，单位K；p_s为标准状态下气体压力，101325Pa；p为标准活塞缸内气体的平均压力，单位Pa。

通过对被动式活塞气体流量标准装置的标准活塞缸和入气口管路进行上述温度控制，可显著缩短装置的热平衡时间，并使标准装置温度场的均匀性和稳定性得到提高，有效提升了被动式活塞气体流量标准装置在微小流量上的测量准确度和测量效率。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种被动式活塞气体流量标准装置的温度控制系统，其特征在于，包括被动式活塞气体流量标准装置、标准活塞缸温度控制设备和入气口管路温度控制设备；

被动式活塞气体流量标准装置包括供压缩空气进入的入气口管路、串联在入气口管路上的被检流量计以及连接于所述入气口管路的标准活塞缸，标准活塞缸内设有活塞；

所述标准活塞缸温度控制设备包括标准活塞缸储存柜、绝热风管一和温度控制器一；标准活塞缸设于所述标准活塞缸储存柜内；所述温度控制器一的出气口通过绝热风管一与所述标准活塞缸储存柜的下端相连通，所述温度控制器一的回气口通过另一绝热风管一与所述标准活塞缸储存柜的上端相连通；温度控制器一可调节气体的温度大小，温度控制器一将调节温度后的气体持续送入标准活塞缸储存柜内,气体从标准活塞缸储存柜的上端回流至温度控制器一；

所述入气口管路温度控制设备包括绝热风管二、温度控制器二、风量调节阀、风量传感器和温度传感器；所述绝热风管二包裹在标准装置的入气口管路的外部，风量传感器和温度传感器用于测量绝热风管二内气体的风量和温度并反馈至温度控制器二；所述绝热风管二的进气口和出气口分别连通于所述温度控制器二的出气口和回气口；温度控制器二可调控气体的温度并将气体送入绝热风管二，通过绝热风管二内的循环气流对所述入气口管路内气体温度进行调控。

2.根据权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述标准活塞缸温度控制设备还包括有分流箱，所述分流箱设于标准活塞缸储存柜的下端，所述分流箱设有多个分流孔；所述温度控制器一的出气口通过绝热风管一与所述标准活塞缸储存柜下端的分流箱相连通；温度控制器一将调节温度后的气体送入分流箱，气体经分流孔持续流入标准活塞缸储存柜内。

3.根据权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，被动式活塞气体流量标准装置还包括有被检流量计上游温度传感器、被检流量计上游压力传感器、进气电磁阀、标准活塞缸内温度传感器、标准活塞缸内压力传感器、排气电磁阀、光电开关一和光电开关二；所述入气口管路上沿气体流动方向依次串联有被检流量计、进气电磁阀和排气电磁阀；所述被检流量计上游温度传感器和被检流量计上游压力传感器连接于所述入气口管路的位于被检流量计上游的部分；标准活塞缸的进气口连接于入气口管路位于进气电磁阀和排气电磁阀之间的部分；标准活塞缸内温度传感器和标准活塞缸内压力传感器分别用于测量所述标准活塞缸内气体的温度和压力；所述光电开关一和光电开关二分别设于所述标准活塞缸靠近进气口的一端和靠近出气口的一端；光电开关一和光电开关二与计时器相连，用于触发计时器开始计时与停止计时。

4.一种利用权利要求3所述温度控制系统的方法，其特征在于，具体过程为：

(1)实验开始前，标准活塞缸温度控制设备使标准活塞缸储存柜内的温度场持续保持均匀与稳定状态后，调节被动式活塞气体流量标准装置的上游的流量调节阀和压力调节阀，使压缩空气以接近预设的流量值和压力值的状态流过进入入气口管路，并流经被检流量计，然后经进气电磁阀和排气电磁阀流出；

被检流量计上游温度传感器获取被检流量计上游的气体温度，标准活塞缸内温度传感器获取标准活塞缸内的气体温度；

(2)被检流量计上游的气体温度T₁和标准活塞缸内的气体温度T₂存在温度差，所述入气口管路温度控制设备根据该温度差及预设流量值，对入气口管路进行加热或降温，使被检流量计上游的气体温度T₁快速升温或降温至标准活塞缸内的气体温度T₂，当|T₁-T₂|≤0.1℃时，气体压力和温度相对稳定，可认为标准装置达到热平衡，可开始实验；

绝热风管二内气体和入气口管路内气体的换热量按下式计算：

Q＝q_vρC_p(T₁-T₂)                     (1)

式中，Q为换热量，q_v为入气口管路内气体体积流量，ρ为入气口管路内气体密度，C_p为入气口管路内气体比热容；当Q为负，需对入气口管路进行加热，当Q为正，需对入气口管路进行降温；

(3)开始实验时，关闭排气电磁阀，此时，持续平稳的气体进入标准活塞缸内推动活塞向上做匀速运动，当活塞运动至所述光电开关一的位置时，计时器开始计时，当活塞运动至所述光电开关二时计时器停止计时，该过程中标准活塞缸内温度传感器和标准活塞缸内压力传感器获取标准活塞缸内的气体温度和气体压力，由此可以得到活塞在所述光电开关一和所述光电开关二之间匀速运动的时间和该过程中标准活塞缸内气体的平均温度和平均压力；

根据记录得到的数据结果及标准活塞缸的内径、光电开关一和光电开关二之间的距离即可计算得到标准气体流量：

式中，d为标准活塞缸的内径，单位m；T_s为标准状态下气体温度，293.15K；q_s为标准状态下标准气体流量，单位m³/s；L为活塞运动的有效距离，单位m；t为活塞在光电开关一和光电开关二之间运行的时间，单位s；T为标准活塞缸内气体的平均温度，单位K；p_s为标准状态下气体压力，101325Pa；p为标准活塞缸内气体的平均压力，单位Pa。

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