CN211877191U - 用于特殊工作状态下气体质量流量计的校准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于流量计校准的技术领域，公开了一种用于特殊工作状态下气体质量流量计的校准装置，包括气体发生器，所述气体发生器与减压阀、被检流量计、标准器以串联方式连通，或者与被检流量计、标准器以并联方式连通，完成被检流量计在工作所需压力、不同组分气体或者有污染气体状态下的校准。本实用新型提出了高压工作状态下的串联式的流量计校准装置和有污染气体工作状态下的并联式的流量计校准装置，比较了不同气体介质下的实际转换系数和理论转换系数，给出单组份氧气、单组份氩气、二氧化碳和氩气0.5：0.5的混合气体、二氧化碳和氩气0.2：0.8的混合气体的实际转换系数，并提出了建议。

Description

用于特殊工作状态下气体质量流量计的校准装置

技术领域

本实用新型属于流量计校准的技术领域，具体涉及一种用于特殊工作状态下气体质量流量计的校准装置。

背景技术

目前，热式气体质量流量计在各种工业领域中应用十分广泛，如核电机组运行时气动控制设备的用气量的测量、钢铁企业冶炼现场中支管的流量测量、能源工业中对燃烧配风的测量、医疗卫生事业中对氧气和麻醉剂流量的测量、公共事业中对氯气、臭氧等流量的测量、天然气、煤气、空气、火炬气等气体流量的测量、汽车尾气的流量测量、CEMS烟气排放连续监测系统的流量测量等。因此，热式气体质量流量计的校准尤其重要。

实验室中，热式气体质量流量计是在常温常压下，以高纯氮作为气体介质，被检表和标准器串联进行校准的，而在工业现场，实际使用的气体介质种类很多，有的甚至是混合气体，热式气体质量流量计也可能是在高压下工作。比如，钢铁企业就常使用氩气或氩气、二氧化碳混合气体作为介质，核电站用的气体质量流量计的进口压力高于常压。而且，大多数的工业用流量计污染比较严重，和标准器串联的话，就会损坏标准器。此时，已有的热式气体质量流量计校准方法有了局限性。

上海市技术基础发展和改革“十三五”规划中提出“重点解决智能电网、核电仪控、太阳能光伏、风电、新能源汽车、再制造机械、重大装备制造等战略性新兴产业的量传溯源技术难题”。所以，这些新兴产业中应用于特殊工作状态的热式气体质量流量计的计量是一个重点关注的问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种用于特殊工作状态下气体质量流量计的校准装置，解决了现有热式气体质量流量计的校准不能适应高压、混合气体等状态的校准问题。

本实用新型可通过以下技术方案实现：

一种用于特殊工作状态下气体质量流量计的校准装置，包括气体发生器，所述气体发生器与减压阀、被检流量计、标准器以串联方式连通，或者与被检流量计、标准器以并联方式连通，完成被检流量计在工作所需压力、不同组分气体或者有污染气体状态下的校准。

进一步，所述气体发生器依次与减压阀、压力计、被检流量计、流量调节阀、标准器连通，通过调节减压阀和流量调节阀，完成被检流量计在工作所需压力状态下的校准。

进一步，所述气体发生器依次与稳压阀、流量调节阀、换向器和标准器连通，所述换向器还与被检流量器连通，完成被检流量计在有污染气体状态下的校准。

进一步，所述气体发生器用于产生单组分气体或者多组分气体。

进一步，所述多组分气体设置为二氧化碳和氩气0.5：0.5的混合气体，所述被检流量计读数对应的转换系数为0.977，所述多组分气体设置为二氧化碳和氩气0.2：0.8的混合气体，所述被检流量计读数对应的转换系数为1.200。

本实用新型有益的技术效果在于：

通过气体发生器、减压阀、压力表、被检流量计、流量调节阀和标准器依次串联组成的校准装置，对不同压力状态的被检流量计进行校准，满足工作在高压状态的被检流量计的校准要求，同时还给出了多组分气体工作状态下被检流量计读数的转换系数的计算方法，并且通过实验给出了单组分氧气、单组分氩气、二氧化碳和氩气不同比例的混合气体修正系数表。另外，还借助换向器，通过并联方式组成了用于有污染气体状态下的校准装置，满足了对于工作在有污染气体状态的热式气体质量流量计的校准要求。

附图说明

图1是现有校准装置的结构连接示意图；

图2是本实用新型的串联式校准装置的结构连接示意图；

图3是本实用新型的对A厂商生产的热式气体质量流量计在不同进口压力下各流量点校准示值误差示意图；

图4是本实用新型的对B厂商生产的热式气体质量流量计在不同进口压力下各流量点校准示值误差示意图；

图5是本实用新型的并联式校准装置的结构连接示意图：

其中，1-气体发生器，2-稳压阀，3-流量调节阀，4-被检流量计，5-标准器，6-减压阀，7-压力计，8-换向器。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本实用新型的具体实施方式。

现有的热式气体质量流量计校准装置如图1所示，其校准系统主要包括以高纯氮气为气源的气体发生器1、稳压阀2、流量调节阀3、被检流量计4、标准器5等，这些设备依次串联在一起，由于热式气体质量流量计前端加了稳压阀和流量调节阀，它的进口压力基本为常压。而在工业现场，实际使用的气体介质种类很多，有的甚至是混合气体，热式气体质量流量计也可能是在高压下工作，比如，钢铁企业就常使用氩气或氩气、二氧化碳混合气体作为气体介质，核电站用的热式气体质量流量计的进口压力一般高于常压。为了保证这些特殊工作状态下的热式气体质量流量计量值的准确可靠，本实用新型提出了高压工作状态下的校准装置和方法，研究了特殊气体工作状态下的修正方法，给出单组份氧气、单组份氩气、二氧化碳和氩气不同比例的混合气体的修正系数表。

本实用新型提供了一种用于特殊工作状态下气体质量流量计的校准装置，包括气体发生器1，该气体发生器1与减压阀6、被检流量计4、标准器5以串联方式连通，或者与被检流量计4、标准器5以并联方式连通，完成被检流量计在不同压力、不同组分气体或者有污染气体状态下的校准。

为了校准高压的热式气体质量流量计，假设其进口压力要达到1.0MPa，则需要把被检流量计4前端压力调大，把流量调节阀3置于被检流量计4的后端，以避免流量调节阀3对被检流量计4前端压力的影响，即在气源出口处安装压力计，然后连接被检流量计4，再连接流量调节阀3，最后连接标准器5。具体地，该气体发生器1依次与减压阀6、压力计7、被检流量计4、流量调节阀3、标准器5连通，如图2所示，通过调节减压阀6，观察压力计7的示数，使热式气体质量流量计的进口压力达到工作所需压力目标值，再通过调节流量调节阀3，完成被检流量计在工作所需压力状态下不同流量点的校准。

该标准器5采用的是活塞式气体小流量标准装置，如SL-800型干式流量校准器。当气体流过时，活塞在气缸里运动，根据活塞在两个光电发射器间运动的时间和已知容积值，可以测得经过该标准器的气体体积流量。底座上自带了压力传感器和温度传感器，从而可计算得到气体的质量流量。该标准器的流量范围是(5～50000)mL/min，扩展不确定度是0.2％(k＝2)，可以校准常见的1.0级的热式气体质量流量计。

为了研究进口压力的大小对热式气体质量流量计校准结果的影响，进行如下试验。对分别由A厂商和B厂商生产的两台工作状态进口压力为1.0MPa的热式气体质量流量计，其准确度等级为1.0级，工作介质为氮气，已通过出厂检验，未投入使用进行试验。通过调节减压阀6，使其进口压力依次为1.0MPa、0.5MPa、0.2MPa和0.1MPa，即从高压递减到常压。试验按照JJG 1132-2017《热式气体质量流量计检定规程》，校准四个流量点，分别为满量程的100％、50％、20％和10％。为了分析校准结果的差异，绘制不同进口压力下的各个流量点校准示值误差曲线图，如图3、图4所示。

由图3、图4可以看出，工作状态进口压力为1.0MPa的热式气体质量流量计，在进口施加1.0MPa的压力时，流量计的示值误差最小，且符合准确度等级1.0级的要求。如果进口压力不够，会影响热式气体质量流量计的校准结果，进口压力越小，对校准结果影响越大。所以，高压的热式气体质量流量计，校准时一定要保证进口压力与使用状态一致，可采用如图2所示的校准装置进行校准。

热式气体质量流量计出厂时一般都用氮气标定，实际使用中如果是其它气体，可进行读数修正，即乘以流量转换系数。如果是单组分气体，其转换系数可以在产品技术说明书中查得，如果是多组分气体，按照下式计算其转换系数C：

C＝0.3106N/ρ(C_P) (1)

式中：ρ表示气体在标准状态下的密度；

C_P表示气体的定压比热；

N表示气体分子构成系数，即与该气体分子构成的组分有关，见下表1。

表1气体分子构成系数表

气体分子构成	举例	N取值
			单原子分子	Ar He	1.01
双原子分子	CO N<sub>2</sub>	1.00
			三原子分子	CO<sub>2</sub> NO<sub>2</sub>	0.94
多原子分子	NH<sub>3</sub> C<sub>4</sub>H<sub>8</sub>	0.88

对于多组分气体，有下式：

N＝N₁(ω₁/ω_T)+N₂(ω₂/ω_T)+...+N_n(ω_n/ω_T) (2)

式中：ω₁...ω_n表示相应气体的流量；

ω_T表示多组分气体的流量；

N₁...N_n表示相应气体的分子构成系数。

将(2)代入(1)中得：

式中：ρ₁...ρ_n表示相应气体在标准状态下的密度；

C_P1...C_Pn表示相应气体的定压比热。

为了验证实际情况和理论换算结果是否一致，进行不同气源的比较试验，气源分别采用单组分氮气、单组份氧气、单组份氩气、二氧化碳和氩气0.5：0.5的混合气体、二氧化碳和氩气0.2：0.8的混合气体，试验中使用A、B两个厂商的流量计，这些流量计进口压力为常压，准确度等级为1.0级，已通过出厂检验，未投入使用。试验得到的实际转化系数和计算得到的理论转换系数如下表2所示。

表2不同气体介质下的转换系数表

由表2可以看出，实际转换系数与理论转换系数基本一致，部分情况下仍存在些差异。对于同种气体介质，A厂商和B厂商的热式气体质量流量计的实际转换系数也存在差异，说明转换系数与流量计的内部制造结构也有关系。对于单组分气体介质，可以发现试验所得的转换系数与厂商的产品技术说明书中提供的系数一致。

实验室校准时，当气体介质是单组分气体时，转换系数可以直接使用产品技术说明书中的。当气体介质是多组分气体时，如果使用者对热式气体质量流量计精度要求一般，可直接使用理论得出的系数进行换算，如果使用者对流量计精度要求较高，建议咨询制造商，用制造商提供的实际转换系数进行修正，或者按照本实用新型的方法进行试验得出修正系数。对于常见的混合气体介质，使用者可参考本实用新型提供的实际转换系数进行修正。

对于工作环境比较干净的热式气体质量流量计，实验室中一般使用串联方式进行校准，即被检流量计和标准器串联，如图1所示，但对于工作环境和使用介质不干净的热式气体质量流量计，采用这种方式校准会损坏标准器，可以考虑采用并联的方式，如图5所示，具体地，该气体发生器1依次与稳压阀2、流量调节阀3、换向器7和标准器5连通，该换向器8还与被检流量计4连通，从而避免有污染气体流入标准器5，完成被检流量计4在有污染气体状态下的校准。并联的方式虽然可以很好地保护标准器，但是要研究并联的情况下是否对热式气体质量流量计的校准结果产生影响。使用同一个待校的热式气体质量流量计，分别按照图1和图5的方式和标准器连接，得出串联和并联两种方式下的校准结果，如表3所示，可见这两种方式下的示值误差相近，并联方式对校准结果影响不大，可以采用并联方式校准有污染的流量计。

表3串联和并联方式校准结果表

流量点(L/min)	示值误差(串联方式)	示值误差(并联方式)
			30	0.23％	0.25％
15	0.25％	0.26％
			6	0.19％	0.22％
3	0.21％	0.23％

同样，这种并联的情况下，对于工作在混合气体状态下的热式气体质量流量计的校准，依然可以利用如下方程式计算转换系数，对被检流量计的读数进行修正，

其中，ρ₁...ρ_n表示多组分气体中的相应气体在标准状态下的密度，C_P1...C_Pn表示多组分气体中的相应气体的定压比热，ω₁...ω_n表示多组分气体中的相应气体的流量，ω_T表示多组分气体的流量，N₁...N_n表示多组分气体中的相应气体的分子构成系数。

综上所述，本实用新型针对特殊工作状态下的热式气体质量流量计，提出了高压工作状态下的串联式的流量计校准装置及方法和有污染气体工作状态下的并联式的流量计校准装置及方法，比较了不同气体介质下的实际转换系数和理论转换系数，给出单组份氧气、单组份氩气、二氧化碳和氩气0.5：0.5的混合气体、二氧化碳和氩气0.2：0.8的混合气体的实际转换系数，并对特殊气体状态下的热式气体质量流量计校准提出了建议。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本实用新型的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种用于特殊工作状态下气体质量流量计的校准装置，其特征在于：包括气体发生器，所述气体发生器与减压阀、被检流量计、标准器以串联方式连通，或者与被检流量计、标准器以并联方式连通，完成被检流量计在工作所需压力、不同组分气体或者有污染气体状态下的校准。

2.根据权利要求1所述的用于特殊工作状态下气体质量流量计的校准装置，其特征在于：所述气体发生器依次与减压阀、压力计、被检流量计、流量调节阀、标准器连通，通过调节减压阀和流量调节阀，完成被检流量计在工作所需压力状态下的校准。

3.根据权利要求1所述的用于特殊工作状态下气体质量流量计的校准装置，其特征在于：所述气体发生器依次与稳压阀、流量调节阀、换向器和标准器连通，所述换向器还与被检流量器连通，完成被检流量计在有污染气体状态下的校准。

4.根据权利要求2或3所述的用于特殊工作状态下气体质量流量计的校准装置，其特征在于：所述气体发生器用于产生单组分气体或者多组分气体，所述标准器采用SL-800型干式流量校准器。

5.根据权利要求4所述的用于特殊工作状态下气体质量流量计的校准装置，其特征在于：所述多组分气体设置为二氧化碳和氩气0.5：0.5的混合气体，所述被检流量计读数对应的转换系数为0.977，所述多组分气体设置为二氧化碳和氩气0.2：0.8的混合气体，所述被检流量计读数对应的转换系数为1.200。

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