0 引 言
 
近年來(lái)*內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站和各級(jí)計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)，都陸續(xù)配置了美* BIOS 公司生產(chǎn)的流量范圍為 10～30 000 mL/min 的干活塞氣體流量計(jì)，作為校準(zhǔn)動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)使用的微小氣體流量計(jì)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器。干活塞氣體流量計(jì)工作時(shí)不需要?jiǎng)恿?，是被?dòng)式的活塞裝置，利用一個(gè)旁路閥達(dá)到連續(xù)測(cè)量，采用多次測(cè)量平均值獲得較高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)流量值，它還克服了皂膜式氣體流量計(jì)的缺點(diǎn)，是一個(gè)不受水蒸汽影響的體積管氣體流量測(cè)量系統(tǒng)。BIOS 公司的干活塞氣體流量計(jì)通過(guò)一臺(tái)傳遞恒流泵向美* NIST 的氣體流量基準(zhǔn)裝置進(jìn)行量值溯源。
 
中*測(cè)試技術(shù)研究院采用傳遞比較法進(jìn)行流量量值溯源是一種新的嘗試，通過(guò)一臺(tái)傳遞恒流泵向皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行量值溯源，干活塞氣體流量計(jì)的恒流泵傳遞校準(zhǔn)方法成功地完成了小流量量值的溯源，是對(duì)我*流量量值溯源體系的補(bǔ)充；由于在 1 000 mL/min 以上流量的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置很少采用被動(dòng)式的工作原理，在 1 000～30 000 mL/min 范
 
圍內(nèi)一般采用主動(dòng)活塞式的恒流法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行量值傳遞，在有效消除氣容影響后，使主動(dòng)活塞式的氣體流量裝置獲得了理想的校準(zhǔn)結(jié)果。1 干活塞氣體流量計(jì)簡(jiǎn)介
 
BIOS 公司的干活塞氣體流量計(jì)采用溫度膨脹
 
系數(shù)很小的硼硅酸鹽玻璃制作氣缸體，活塞采用石墨材料制作，這兩種材料熱膨脹系數(shù)非常低，且十分相近，同時(shí)兩者之間摩擦系數(shù)很低，理想的活塞應(yīng)該是與缸體無(wú)摩擦、無(wú)泄漏、無(wú)形變、無(wú)滲透且質(zhì)量為零，石墨活塞配硼硅酸鹽玻璃的氣缸體已接近**：石墨活塞形狀穩(wěn)定，摩擦力小，幾乎無(wú)滲透，同時(shí)通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減小了活塞重量^[1]。測(cè)量氣體流量的工作原理是：當(dāng)活塞在氣缸體底部時(shí)關(guān)閉旁通閥，打開測(cè)量閥，接收氣流進(jìn)入氣缸體，活塞上行觸發(fā)流量測(cè)量機(jī)構(gòu)完成流量測(cè)量；當(dāng)活塞運(yùn)行到氣缸體上部，快速關(guān)閉測(cè)量閥，打開旁通閥，石墨活塞靠自重很快下降復(fù)位，此時(shí)氣流通過(guò)旁通閥仍然在平穩(wěn)流動(dòng)；活塞回到氣缸體底部時(shí)，又關(guān)閉旁通閥，打開測(cè)量閥，流量測(cè)量機(jī)構(gòu)將立即復(fù)位進(jìn)行下一次流量測(cè)量。
 
根據(jù)工作原理可以發(fā)現(xiàn)干活塞氣體流量計(jì)是一個(gè)可以連續(xù)測(cè)量瞬時(shí)流量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，但是在測(cè)量時(shí)是間斷工作的，在測(cè)量通道和旁通通道之間切換時(shí)流動(dòng)阻力是不一樣的，而普通氣體流量計(jì)的結(jié)構(gòu)是固定的，不會(huì)在運(yùn)行中有較大的阻力波動(dòng)，所以用于普通氣體流量計(jì)校準(zhǔn)的恒壓型氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不能用于干活塞氣體流量計(jì)的校準(zhǔn)^[2-3]。為了準(zhǔn)確地校準(zhǔn)干活塞氣體流量計(jì)，研究了兩種恒流法的校準(zhǔn)方案，綜合使用兩臺(tái)氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和一臺(tái)傳遞恒流泵，實(shí)現(xiàn)了對(duì)干活塞氣體流量計(jì)全流量范圍的校準(zhǔn)。 
2 標(biāo)準(zhǔn)裝置和校準(zhǔn)方法
 
選用校準(zhǔn)較大流量的標(biāo)準(zhǔn)裝置是體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，它是一臺(tái)主動(dòng)活塞式的氣體流量裝置，能夠輸出恒定流量，流量穩(wěn)定度 0.2%；校準(zhǔn)較小
 
流量的標(biāo)準(zhǔn)裝置是皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，配套的氣源是 Airpro6000D 恒流泵，可以輸出恒定流量，流量穩(wěn)定度 0.2%。標(biāo)準(zhǔn)裝置的性能見表 1。
 

	表 1	標(biāo)準(zhǔn)裝置的性能和主要技術(shù)參數(shù)
名稱	流量范 /（mL·min-1）		技 指
體 管氣體		200～100 000	累 流量 量不確定度 Urel=0.05%，
流量 準(zhǔn)裝置			k=2；流量 定度 0.2%
皂膜氣體流量		1～1 000	累 流量 量不確定度 Urel=0.5%，
準(zhǔn)裝置			k=2
Airpro6000D		20～20 000	流量 定度 0.2％
恒流

 
根據(jù)不同的流量范圍采用了兩種校準(zhǔn)方法，第 1 種是體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置正壓校準(zhǔn)法，本方法適應(yīng)校準(zhǔn)流量范圍為 500~30 000 mL/min 的干活塞氣體流量計(jì)。氣路連接方式如圖 1 所示，調(diào)壓閥后端連接被校流量計(jì)的管線應(yīng)盡可能短，以消除氣容受阻力變化的影響，調(diào)壓閥前端的龐大氣容被調(diào)壓閥的較高阻力隔斷了，從而獲得了穩(wěn)定的恒流氣源^[4]，
 
標(biāo)準(zhǔn)流量值由體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置提供。
校準(zhǔn)過(guò)程：shou先在體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)上設(shè)置校準(zhǔn)流量值 q，打開體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量開關(guān)并啟動(dòng)體積管，讓體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在設(shè)定的流量下運(yùn)行，在運(yùn)行過(guò)程中調(diào)節(jié)調(diào)壓閥的開關(guān)，觀察體積管裝置內(nèi)壓力值，當(dāng)壓力值穩(wěn)定后，記錄被校干活塞氣體流量計(jì)連續(xù)運(yùn)行 20
 
次后獲得的平均流量值和體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)際流量值，體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)自動(dòng)采集氣體溫度、當(dāng)前大氣壓力、表前壓力和裝置內(nèi)壓力。校準(zhǔn)記錄如表 2 所示。
 
體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置受流量控制系統(tǒng)輸出分辨率影響，在較小流量時(shí)（低于 500 mL/min）的調(diào)節(jié)能力下降，較難獲得穩(wěn)定流量。采用的第 2 種校準(zhǔn)方法是皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和恒流泵傳遞校準(zhǔn)法，在 20～500 mL/min 范圍要想獲得恒流氣源只能采用恒流泵，恒流泵的流量值由皂膜氣體流量裝置標(biāo)定，這種傳遞校準(zhǔn)法適用于校準(zhǔn)流量范圍在
 
20～500 mL/min 的干活塞氣體流量計(jì)。負(fù)壓用皂膜氣
 
體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的出氣口連接恒流泵的吸氣口，測(cè)量出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)流量值，再把恒流泵的吸氣口連接被校干活塞氣體流量計(jì)的出氣口，如圖 2 所示。
的干活塞氣體流量計(jì)進(jìn)行該流量點(diǎn)的校準(zhǔn)。恒流泵連接被校準(zhǔn)的干活塞氣體流量計(jì)的管線應(yīng)盡可能短，以消除氣容受阻力變化的影響。由于校準(zhǔn)的流量值很低，干活塞氣體流量計(jì)的工作阻力很小，與皂膜相差不大，約 50 Pa，可以不用壓力補(bǔ)償。負(fù)壓工作的恒流泵吸入的是恒溫實(shí)驗(yàn)室空氣，通過(guò)皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和通過(guò)干活塞氣體流量計(jì)吸入的氣溫相差不大，可以不用溫度補(bǔ)償^[5]。標(biāo)準(zhǔn)流量值由皂膜氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置提供，記錄皂膜管體積和通過(guò)皂膜管體積刻線的時(shí)間，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)器實(shí)際流量，并記錄被校干活塞氣體流量計(jì)的平均顯示流量值，見表 3。
 
上面兩種方法的校準(zhǔn)結(jié)果重復(fù)性都優(yōu)于 0.1%，
 
流量修正系數(shù)的測(cè)量不確定度在 0.3% ～0.6% 的
 
水平^[6-7]，滿足了干活塞氣體流量計(jì)的基本計(jì)量性能指標(biāo)。對(duì)干活塞氣體流量計(jì)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用恒流法流量裝置可以消除流動(dòng)阻力的對(duì)標(biāo)準(zhǔn)流量的影響，體積管氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的氣容被調(diào)壓閥隔斷，它測(cè)量的恒定標(biāo)準(zhǔn)流量就不會(huì)受干活塞氣體流量計(jì)的阻力波動(dòng)影響，只需要測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置和被校準(zhǔn)流量計(jì)的工作壓力，進(jìn)行氣體狀態(tài)補(bǔ)償就可以獲得流量修正系數(shù)^[8]。干活塞氣體流量計(jì)其實(shí)就是一種微小體積管，只是和傳統(tǒng)體積管的工作方式不同^[9]，
 
側(cè)重于瞬時(shí)流量的測(cè)量，利用旁通閥進(jìn)行連續(xù)流量的測(cè)量，這也造成傳統(tǒng)體積管校準(zhǔn)方法不適用于干活塞氣體流量計(jì)^[9]。采用恒流泵傳遞法校準(zhǔn)可以適用于較寬的流量范圍，是校準(zhǔn)干活塞氣體流量計(jì)的**理想方法，因皂膜流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量范圍較小，流量太大皂膜易變形，能給出較大的恒流泵標(biāo)定值^[10]，也就是皂膜流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量范圍比干活塞氣體流量計(jì)小，不能覆蓋全部流量范圍。所以采用體積管和恒流泵相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)干活塞流量計(jì)的校準(zhǔn)。