20世紀(jì)80~90年代以來, 半導(dǎo)體制造業(yè)、精細(xì)化工、納米技術(shù), 生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的迅速崛起, 使得氣體流量計(jì)量朝著小、微方向發(fā)展, 小流量、微小流量的需求日益凸顯[1]。

目前, 用于微小流量計(jì)量的計(jì)量器具主要有皂膜流量計(jì)、活塞流量計(jì) (根據(jù)密封方式不同, 可分為石墨式活塞流量計(jì)、水銀密封式活塞流量計(jì)) 等。而皂膜流量計(jì)成本低, 使用便捷, 在工業(yè)生產(chǎn)、理化分析和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2]。

傳統(tǒng)的皂膜流量計(jì)主要受皂膜管上下刻度線讀數(shù)示值誤差、大氣壓P和環(huán)境溫度讀數(shù)誤差、測量時(shí)間誤差的影響[3]。隨著電子工業(yè)和傳感器技術(shù)的發(fā)展, 電子皂膜流量計(jì)采用先進(jìn)高精度的溫度和壓力測量電子元器件, 并運(yùn)用紅外傳感器和單片機(jī)晶振, 能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、壓力、時(shí)間參數(shù)的高精度自動(dòng)采集, 克服了傳統(tǒng)皂膜流量計(jì)示值誤差影響因素。在工作計(jì)量器具或檢定裝置中, 已基本全面取代傳統(tǒng)皂膜流量計(jì)。隨著電子皂膜流量計(jì)的發(fā)展, 計(jì)量范圍也可達(dá)到1m L/min~30 L/min。本文首先介紹電子皂膜流量計(jì)工作, 其次推導(dǎo)電子皂膜流量計(jì)流量計(jì)算公式, 再次分析考慮水的飽和蒸汽壓和未考慮水的飽和蒸汽壓對(duì)檢定示值誤差的影響, ***后給出解決問題的方法和建議。

電子皂膜流量計(jì)主要由單片機(jī)、紅外傳感器、前置電路、驅(qū)動(dòng)電路、按鍵、顯示器、電源等部分組成。它可實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)采集, 數(shù)據(jù)自動(dòng)處理, 直接顯示實(shí)際流量, 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流量和參比狀態(tài)流量。其硬件原理和電子皂膜管結(jié)構(gòu)圖如圖1和圖2所示。

當(dāng)皂膜通過上游狹縫3時(shí), 發(fā)光管發(fā)出的光束強(qiáng)度的變化, 使接收管7改變導(dǎo)通狀態(tài), 單片機(jī)開始計(jì)時(shí)t1, 當(dāng)皂膜通過下游狹縫時(shí), 下游接收管改變導(dǎo)通狀態(tài), 單片機(jī)計(jì)時(shí)t2, 皂膜在時(shí)間 (t2-t1) 內(nèi)通過皂膜管標(biāo)定體積VN。根據(jù)生產(chǎn)廠家的不同, 單片機(jī)可根據(jù)現(xiàn)場輸入的現(xiàn)場溫度、大氣壓力或是通過壓力和溫度傳感器自動(dòng)采集的現(xiàn)場溫度、大氣壓力, 自動(dòng)查詢與現(xiàn)場溫度相對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力, 經(jīng)單片機(jī)計(jì)算, 可顯示實(shí)際流量, 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流量和參比狀態(tài)流量。而部分電子皂膜流量計(jì)使用于恒溫實(shí)驗(yàn)室, 沒有進(jìn)行飽和蒸氣壓的修正。

干氣體通過盛有皂膜液膠球后, 經(jīng)內(nèi)壁有液層的皂膜管時(shí), 變成飽和濕氣體。皂膜管內(nèi)的總壓力為大氣壓, 則干氣體分壓力為:

式中:P為皂膜管處干氣體的壓力;Pa為大氣壓力;Psa為檢定時(shí)氣體溫度θ下飽和蒸汽壓。

檢定溫度θ下, 皂膜管的容積為:

式中:Vθ為皂膜管在溫度θ下的容積;VN為皂膜管在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的容積;α為皂膜管的線膨脹系數(shù), 對(duì)于硼硅玻璃, 3α=1.6×10 (℃) ;θ為檢定時(shí)皂膜管的壁溫。

將此體積按狀態(tài)方程換算到參比狀態(tài)下的體積, 則有:

式中:V為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的體積;P為干氣體分壓力, Pa;Tθ為現(xiàn)場溫度, K;PS為參比狀態(tài)下大氣壓力, Pa;TS為參比狀態(tài)下溫度, K。

由式 (1) ~式 (4) 可得參比狀態(tài)下瞬時(shí)流量:

由于檢定時(shí)處于實(shí)驗(yàn)室狀態(tài), 室溫接近20℃, 故忽略溫度對(duì)皂膜管容積值影響, 式 (5) 可以簡化為:

常用參比溫度為273.15、293.15、298.15 K, 當(dāng)參比溫度為293.15 K時(shí):

式中:T293.15為參比狀態(tài)下的溫度 (273 K+20℃, 即293 K) ;PS為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下的大氣壓 (101.325 k Pa) ;Pa為現(xiàn)場大氣壓, Pa;Psa為與現(xiàn)場溫度相對(duì)應(yīng)的水的飽和蒸氣壓, Pa;Tθ為現(xiàn)場溫度, K。

其他參比溫度下的瞬時(shí)流量可據(jù)式 (7) 進(jìn)行類推。在檢定工作中發(fā)現(xiàn), 一些電子皂膜流量計(jì)的生產(chǎn)廠家, 只針對(duì)參比狀態(tài)下的濕氣體進(jìn)行了氣體狀態(tài)轉(zhuǎn)化, 即以現(xiàn)場大氣壓進(jìn)行溫度壓力修正, 忽略了現(xiàn)場溫度下的飽和蒸汽壓。在非恒溫實(shí)驗(yàn)室條件下使用電子皂膜流量計(jì)時(shí), 飽和蒸汽壓帶來的影響是不可忽略的。

本文以實(shí)驗(yàn)室下校準(zhǔn)體積為20 m L, 測量范圍10~1 200 m L/min的電子皂膜流量計(jì)為例, 計(jì)算水的飽和蒸氣壓帶來的瞬時(shí)流量誤差。水的飽和蒸汽壓表如表1所示。

實(shí)驗(yàn)室條件下, 設(shè)現(xiàn)場溫度為20℃。

則不考慮飽和蒸汽壓時(shí):

考慮飽和蒸汽壓時(shí):

我們地處中原, 實(shí)驗(yàn)室大氣壓力接近于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓, 即Pa=PS=101.325 k Pa, Tθ= (273.15+20) K=TS, 由表1可得Psa=2.338 8 k Pa, 帶入式 (9) 可得, 。一臺(tái)轉(zhuǎn)子, 其測量范圍為0.1~1 L/min, 刻度狀態(tài)為20℃, 101.325 k Pa, 使用介質(zhì)為空氣。在檢定過程中使用未考慮飽和蒸汽壓補(bǔ)償?shù)碾娮釉砟ち髁坑?jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器的檢定數(shù)據(jù)如表2所示。

依據(jù)檢定數(shù)據(jù)表2, 不考慮飽和蒸汽壓和考慮飽和蒸氣壓瞬時(shí)流量換算關(guān)系, 可得考慮飽和蒸汽壓的檢定數(shù)據(jù), 如表3所示。

未考慮水的飽和蒸氣壓和考慮水的飽和蒸氣壓的示值誤差對(duì)比曲線如圖3所示。

由圖3可知, 兩種示值誤差曲線存在一定的偏移, 即飽和蒸氣壓修正引入的系統(tǒng)誤差。

在使用時(shí)如果氣源為干氣體, 被檢流量計(jì)使用介質(zhì)為干氣體時(shí), 電子皂膜流量計(jì)必須考慮水的飽和蒸氣壓帶來的影響。電子皂膜流量計(jì)中飽和蒸氣壓是由單片機(jī)線性插值或數(shù)據(jù)擬合而來, 通過簡單的線性擬合計(jì)算出來的蒸汽壓與實(shí)際數(shù)據(jù)誤差較大, 本文建議采用Pb=6.0×10e, 其中, Pb為飽和蒸汽壓, T為溫度。在0~200℃范圍內(nèi), 由此數(shù)據(jù)擬合的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)***大誤差為0.8‰[4]。建議在起草新的皂膜流量計(jì)檢定規(guī)程時(shí), 將擬合方法放入附錄, 供廠家參考。