CN216433190U

CN216433190U - 一种便携式气体微小流量校准装置

Info

Publication number: CN216433190U
Application number: CN202123332788.0U
Authority: CN
Inventors: 陈曹浪; 张东飞; 王磊; 唐军; 胡志刚
Original assignee: Suzhou Institute Of Metrology
Current assignee: Suzhou Institute Of Metrology
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-05-03
Anticipated expiration: 2031-12-28

Abstract

本实用新型提供一种便携式气体微小流量校准装置，涉及流量校准技术领域。该装置包括质量流量控制器、标准层流流量计和测量控制单元，标准层流流量计包括层流传感元件、温度变送器、差压变送器和压力变送器；层流传感元件可拆卸地设置在装置中，层流传感元件包括不同规格的多个层流传感元件，多个层流传感元件适用于感测不同的气体流量范围。装置中采用可拆卸的层流传感元件，通过更换传感元件以满足不同流量范围气体流量计校准，系列规格层流传感元件共用同一个高精度差压变送器和压力变送器，使得校准装置体积小、结构紧凑、可便携，每种规格的传感元件只工作在较窄的流量范围，差压变送器工作在大量程范围，可满足校准测量的不确定度要求。

Description

一种便携式气体微小流量校准装置

技术领域

本实用新型涉及流量校准技术领域，具体涉及一种便携式气体微小流量校准装置。

背景技术

纯净气体在半导体、电子、生物制药、新材料、新能源和环保等行业应用广泛。实际应用中，纯净气体流量测量多数处于小流量和微流量范围。气体微小流量测量按原理主要有热式和层流两种方法。热式气体流量计不需要进行温度和压力补偿，并可用于较高压力测量，使用更为广泛；层流流量计稳定性好，测量精度高，对于高精度测量更为适用。

气体流量校准主要有钟罩法、活塞法、皂膜法、PVTt法、质量时间(mt)法、音速喷嘴法和标准流量计法等，其中能够用于气体微小流量现场校准的是活塞法和标准流量计法。活塞法和标准流量计法这两种方法各有优劣，活塞法直接溯源到长度和时间，溯源更直接，容易获得较高测量不确定度，但其装置相对复杂，磨损等影响长期稳定性，便携性不如后者；标准流量计法装置相对简单，不易损坏，便于携带，对于现场校准是比较适用的。

作为流量标准的流量计需要测量精度高，稳定性好，高精度层流流量计可用作标准流量计，但单只流量传感器流量范围有限，实验室里一般采用多个传感器并联的方式满足流量校准装置整个流量范围高精度测量要求，不足之处是装置较大，便携性不好。此外，现场在线校准时还需解决气源的稳定性、可控性等问题。

综上所述，现有技术中存在如下的问题：(1)不方便携带：现有满足准确度要求的装置都不方便携带。皂膜流量计由于配备皂膜管和皂膜液，不易携带，易碎。活塞式流量计长期携带将导致活塞内部轻微变形，导致整个行程出现时间差异，需要重新校准使用，严重的话导致活塞无法升起，需返厂维修；(2)现场校准准确度不高：实验室装置一般准确度为MPE:±0.5％，高精度装置在MPE:±0.3％，甚至MPE:±0.2％，这样能够满足误差在±1.0％的气体流量计校准。但是现场校准由于前后管段，以及温差等客观因素，往往达不到此类要求；(3)流量点难调整：现有装置一般是在末端加高精度针阀，手动调整流量点，在流量越小时，调整耗时费力；(4)气源压力难以控制：现场校准时，现有装置因没有稳压和调压装置难以对气源压力进行控制。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种便携式气体微小流量校准装置，以解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供了一种便携式气体微小流量校准装置，该装置包括质量流量控制器、标准层流流量计和测量控制单元，标准层流流量计包括层流传感元件、温度变送器、差压变送器和压力变送器，测量控制单元与计算机通讯连接；

质量流量控制器与测量控制单元通讯连接，质量流量控制器经由管路与层流传感元件流体连通，质量流量控制器在计算机的控制下自动调节传送至层流传感元件的气体的流量；

温度变送器、差压变送器和压力变送器分别与测量控制单元通讯连接；

质量流量控制器、测量控制单元、温度变送器、差压变送器以及压力变送器固定设置在装置中，层流传感元件可拆卸地设置在装置中，层流传感元件包括不同规格的多个层流传感元件，所述多个层流传感元件适用于感测不同的气体流量范围；

在使用装置前，根据预期的流量校准范围，从所述多个层流传感元件中选择一个规格最匹配的层流传感元件安装在装置中。

可选地，该装置还包括用于稳定质量流量控制器的入口压力的调压阀。

可选地，质量流量控制器包括第一质量流量控制器和第二质量流量控制器；调压阀包括第一调压阀和第二调压阀；第一质量流量控制器的流量调节范围大于第二质量流量控制器的流量调节范围；第一质量流量控制器与第二质量流量控制器采用两个支路并联设置，第一调压阀设置在两个支路上游的总管路上，第二调压阀设置在第二质量流量控制器的支管路上。

可选地，第二调压阀的压力调节范围与第二质量流量控制器的流量调节范围匹配；第一调压阀的压力调节范围与第一质量流量控制器的调节范围匹配。

可选地，该装置还包括设置在调压阀的上游管路中的过滤器。

可选地，该装置还包括设置在过滤器的上游管路中的入口阀。

可选地，所述多个层流传感元件的外形完全相同。

可选地，所述多个层流传感元件中的每个层流传感元件的毛细管长度相同，并且所述多个层流传感元件中的每个层流传感元件的毛细管直径和数量不同。

可选地，在利用该装置进行校准时，校准采用现场气源，被校准的流量计通过管路与该装置的入口连接，工作气体流经被校准的流量计和该装置，分别读取被校准的流量计和该装置上的流量数据，通过对读取到的流量数据进行数据处理以实现对被校准的流量计的校准。

可选地，被校准的流量计为量程范围为20mL/min至2000mL/min的热式质量流量计。

本实用新型的有益效果包括：

本实用新型提供的便携式气体微小流量校准装置包括质量流量控制器、标准层流流量计和测量控制单元，标准层流流量计包括层流传感元件、温度变送器、差压变送器和压力变送器，测量控制单元与计算机通讯连接；质量流量控制器与测量控制单元通讯连接，质量流量控制器经由管路与层流传感元件流体连通，质量流量控制器在计算机的控制下自动调节传送至层流传感元件的气体的流量；温度变送器、差压变送器和压力变送器分别与测量控制单元通讯连接；质量流量控制器、测量控制单元、温度变送器、差压变送器以及压力变送器固定设置在装置中，层流传感元件可拆卸地设置在装置中，层流传感元件包括不同规格的多个层流传感元件，所述多个层流传感元件适用于感测不同的气体流量范围；在使用装置前，根据预期的流量校准范围，从所述多个层流传感元件中选择一个规格最匹配的层流传感元件安装在装置中。装置中采用可拆卸的层流传感元件，通过更换层流传感元件的方法满足不同流量范围气体流量计校准，系列规格层流传感元件共用同一个高精度差压变送器和压力变送器。这种设计使得校准装置体积小、结构紧凑、可便携。同时，每种规格的层流传感元件只工作在较窄的流量范围，差压变送器只工作在大量程范围，可满足校准测量的不确定度要求。采用质量流量控制器进行流量设定和调节，获得校准所需流量点，这种设计可保证流量自动控制系统简单，性能可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型第一实施例提供的便携式气体微小流量校准装置的结构示意图；

图2示出了本实用新型第二实施例提供的便携式气体微小流量校准装置的结构示意图；

图3示出了本实用新型第三实施例提供的便携式气体微小流量校准装置的结构示意图；

图4示出了本实用新型实施例提供的便携式气体微小流量校准装置的现场校准示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

流量校准装置的现有技术中存在如下的问题：(1)不方便携带：现有满足准确度要求的装置都不方便携带。皂膜流量计由于配备皂膜管和皂膜液，不易携带，易碎。活塞式流量计长期携带将导致活塞内部轻微变形，导致整个行程出现时间差异，需要重新校准使用，严重的话导致活塞无法升起，需返厂维修；(2)现场校准准确度不高：实验室装置一般准确度为MPE:±0.5％，高精度装置在MPE:±0.3％，甚至MPE:±0.2％，这样能够满足误差在±1.0％的气体流量计校准。但是现场校准由于前后管段，以及温差等客观因素，往往达不到此类要求；(3)流量点难调整：现有装置一般是在末端加高精度针阀，手动调整流量点，在流量越小时，调整耗时费力；(4)气源压力难以控制：现场校准时，现有装置因没有稳压和调压装置难以对气源压力进行控制。为了解决上述现有技术中存在的一个或多个问题，本实用新型提供了一种便携式气体微小流量校准装置。下面将参照图1至图4详细描述本实用新型提供的校准装置。

图1示出了本实用新型第一实施例提供的便携式气体微小流量校准装置的结构示意图。如图1所示，本实用新型实施例提供的便携式气体微小流量校准装置包括质量流量控制器101、标准层流流量计和测量控制单元102，标准层流流量计包括层流传感元件103、温度变送器104、差压变送器105和压力变送器106，测量控制单元102与计算机107通讯连接；标准层流流量计用于进行流量的精确测量。质量流量控制器101与测量控制单元102通讯连接，质量流量控制器101经由管路与层流传感元件103流体连通，质量流量控制器101在计算机107的控制下自动调节传送至层流传感元件103的气体的流量；温度变送器104、差压变送器105和压力变送器106分别与测量控制单元102通讯连接；质量流量控制器101、测量控制单元102、温度变送器104、差压变送器105以及压力变送器106固定设置在装置中，层流传感元件103可拆卸地设置在装置中，层流传感元件103包括不同规格的多个层流传感元件，所述多个层流传感元件适用于感测不同的气体流量范围；在使用装置前，根据预期的流量校准范围，从所述多个层流传感元件中选择一个规格最匹配的层流传感元件安装在装置中。

测量控制单元102的作用有两个：一是接收计算机107的命令，发出控制信号给质量流量控制器101以便获得校准所需流量点；二是采集差压、压力和温度信号，并由计算机107读取。计算机程序控制校准测量过程，对读取的数据进行处理。

层流传感元件103为可更换设计，根据流量校准范围更换合适规格的层流传感元件，系列规格的层流传感元件共用同一个高精度差压变送器和压力变送器。

可选地，所述多个层流传感元件的外形完全相同。所述多个层流传感元件中的每个层流传感元件的毛细管长度相同，并且所述多个层流传感元件中的每个层流传感元件的毛细管直径和数量不同。系列规格的层流传感元件采用模块化设计，不同规格层流传感元件外形和尺寸完全相同，毛细管长度L相同，毛细管直径d和数量n不同，实现不同流量的层流传感元件设计。由于各种规格层流传感元件外形完全相同，更换简单方便。

综上所述，校准装置中采用可拆卸的层流传感元件，通过采用更换层流传感元件的方法满足不同流量范围气体流量计校准，系列规格层流传感元件共用同一个高精度差压变送器和压力变送器。这种设计使得校准装置体积小、结构紧凑、可便携。同时，每种规格的层流传感元件只工作在较窄的流量范围，差压变送器只工作在大量程范围，可满足校准测量的不确定度要求。采用质量流量控制器进行流量设定和调节，获得校准所需流量点，这种设计可保证流量自动控制系统简单，性能可靠。

图2示出了本实用新型第二实施例提供的便携式气体微小流量校准装置的结构示意图。如图2所示，该装置还包括用于稳定质量流量控制器101的入口压力的调压阀108。通过在质量流量控制器上游安装调压阀，可保证质量流量控制器入口气流压力稳定，适应现场校准不同气源压力。

图3示出了本实用新型第三实施例提供的便携式气体微小流量校准装置的结构示意图。如图3所示，质量流量控制器101包括第一质量流量控制器111和第二质量流量控制器121；调压阀108包括第一调压阀118和第二调压阀128；第一质量流量控制器111的流量调节范围大于第二质量流量控制器121的流量调节范围；第一质量流量控制器111与第二质量流量控制器121采用两个支路并联设置，第一调压阀118设置在两个支路上游的总管路上，第二调压阀128设置在第二质量流量控制器121的支管路上。第二调压阀128的压力调节范围与第二质量流量控制器121的流量调节范围匹配；第一调压阀118的压力调节范围与第一质量流量控制器111的调节范围匹配。通过采用并联大小两种流量规格管路设计(含管路中质量流量控制器和调压阀)，可实现气体流量校准装置宽流量范围需要。

调压阀的作用是稳压和调压，以保证质量流量控制入口压力稳定，保证流量调节准确。安装于总管路上的大调压阀(也就是第一调压阀118)主要用于大规格质量流量控制器(也就是第一质量流量控制器111)支路的稳压。由于调压阀工作范围限制，单个调压阀不能满足全部流量范围调节需要，因此，在小规格质量流量控制器(也就是第二质量流量控制器121)支路上安装小调压阀(也就是第二调压阀128)。

采用质量流量控制器进行计算机控制下流量自动调节，获得测试所需流量点。质量流量控制器调节范围一般为50倍，单个控制器难以满足流量校准装置宽流量范围的要求，因此设计两条并联支路，两条支路中分别安装大规格质量流量控制器(也就是第一质量流量控制器111)和小规格质量流量控制器(也就是第二质量流量控制器121)，校准过程中根据流量范围开启合适支路中质量流量控制器。

可选地，该装置还包括设置在调压阀108的上游管路中的过滤器109。该装置还包括设置在过滤器109的上游管路中的入口阀110。

入口阀110的主要目的是隔离上游管路，在校准过程中起到总开关阀的作用，同时具有压力调节作用，与其后的调压阀配合使用确保质量流量控制器之前压力稳定。过滤器109有两个作用：一是过滤进入层流传感元件103的气体，以防污染和堵塞层流传感元件103中的毛细管，二是与入口阀110共同隔离上游被校流量计与管路，防止被校流量计及其管路和校准装置管路相互污染，以满足现场在线校准需要。

图4示出了本实用新型实施例提供的便携式气体微小流量校准装置的现场校准示意图。在利用该装置进行校准时，校准采用现场气源，被校准的流量计200通过管路与该装置的入口连接，工作气体流经被校准的流量计200和该装置，分别读取被校准的流量计200和该装置上的流量数据，通过对读取到的流量数据进行数据处理以实现对被校准的流量计200的校准。

在现场校准时，根据层流流量测量原理，体积流量

式中：n为层流传感元件中毛细管根数；d为毛细管内径；L为毛细管长度；μ为气体动力粘度；ΔP为毛细管两端压降。

公式(1)中气体动力粘度与气体种类、以及温度和压力参数有关。校准时气体种类已知，根据实时测得的温度、压力数据可计算得到气体动力粘度。

被校准的流量计200和层流传感元件103中气体压力不同，体积流量不同，因此，需要将各自测量的流量换算为标况下体积流量进行比对。换算公式为：

式中，Q、P、T和Z分别为测量条件下体积流量、压力、温度和气体压缩系数，QN、PN、TN和ZN分别为标准状态下体积流量、压力、温度和气体压缩系数。

使用音速喷嘴对该装置层流流量计进行校准，数据如下：

表1层流流量计校准数据

差压(Pa)	流量(m3/h)	流量(CFM)	拟合流量(CFM)	误差(％)
					213.46	0.1453	0.08552	0.0855	-0.028
391.9	0.2482	0.14609	0.1462	0.075
					625.54	0.3719	0.21890	0.2188	-0.046
794.58	0.4533	0.26681	0.267	0.070
					981.24	0.538	0.31667	0.3165	-0.053
1130.3	0.6003	0.35334	0.3536	0.075
					1378.6	0.6994	0.41167	0.4113	-0.089

例如，被校准的流量计200为量程范围为20mL/min至2000mL/min的热式质量流量计。

使用该装置现场检测一只热式质量流量计(20～2000)mL/min，数据如下：

表2热式质量流量计检测数据

由表1、表2可见：层流流量计精度高，性能稳定，可以作为标准表在现场使用。现场检定热式质量流量计符合要求，可以快速、准确进行操作，方便简单。本实用新型实施例提供的流量校准装置精度高、稳定性好、便携易操作，符合便携式气体微小流量校准装置要求。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种便携式气体微小流量校准装置，其特征在于，所述装置包括质量流量控制器、标准层流流量计和测量控制单元，所述标准层流流量计包括层流传感元件、温度变送器、差压变送器和压力变送器，所述测量控制单元与计算机通讯连接；

所述质量流量控制器与所述测量控制单元通讯连接，所述质量流量控制器经由管路与所述层流传感元件流体连通，所述质量流量控制器在所述计算机的控制下自动调节传送至所述层流传感元件的气体的流量；

所述温度变送器、所述差压变送器和所述压力变送器分别与所述测量控制单元通讯连接；

所述质量流量控制器、所述测量控制单元、所述温度变送器、所述差压变送器以及所述压力变送器固定设置在所述装置中，所述层流传感元件可拆卸地设置在所述装置中，所述层流传感元件包括不同规格的多个层流传感元件，所述多个层流传感元件适用于感测不同的气体流量范围；

在使用所述装置前，根据预期的流量校准范围，从所述多个层流传感元件中选择一个规格最匹配的层流传感元件安装在所述装置中。

2.根据权利要求1所述的便携式气体微小流量校准装置，其特征在于，所述装置还包括用于稳定所述质量流量控制器的入口压力的调压阀。

3.根据权利要求2所述的便携式气体微小流量校准装置，其特征在于，所述质量流量控制器包括第一质量流量控制器和第二质量流量控制器；所述调压阀包括第一调压阀和第二调压阀；所述第一质量流量控制器的流量调节范围大于所述第二质量流量控制器的流量调节范围；所述第一质量流量控制器与所述第二质量流量控制器采用两个支路并联设置，所述第一调压阀设置在所述两个支路上游的总管路上，所述第二调压阀设置在所述第二质量流量控制器的支管路上。

4.根据权利要求3所述的便携式气体微小流量校准装置，其特征在于，所述第二调压阀的压力调节范围与所述第二质量流量控制器的流量调节范围匹配；所述第一调压阀的压力调节范围与所述第一质量流量控制器的调节范围匹配。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的便携式气体微小流量校准装置，其特征在于，所述装置还包括设置在所述调压阀的上游管路中的过滤器。

6.根据权利要求5所述的便携式气体微小流量校准装置，其特征在于，所述装置还包括设置在所述过滤器的上游管路中的入口阀。

7.根据权利要求1所述的便携式气体微小流量校准装置，其特征在于，所述多个层流传感元件的外形完全相同。

8.根据权利要求7所述的便携式气体微小流量校准装置，其特征在于，所述多个层流传感元件中的每个层流传感元件的毛细管长度相同，并且所述多个层流传感元件中的每个层流传感元件的毛细管直径和数量不同。

9.根据权利要求1所述的便携式气体微小流量校准装置，其特征在于，在利用所述装置进行校准时，校准采用现场气源，被校准的流量计通过管路与所述装置的入口连接，工作气体流经所述被校准的流量计和所述装置，分别读取所述被校准的流量计和所述装置上的流量数据，通过对读取到的流量数据进行数据处理以实现对被校准的流量计的校准。

10.根据权利要求9所述的便携式气体微小流量校准装置，其特征在于，所述被校准的流量计为量程范围为20mL/min至2000mL/min的热式质量流量计。