专利名称：一种提高小尺寸钟罩容积测量准确度的校准装置及其校准方法
技术领域：
本发明涉及一种钟罩式微小气体流量校准装置主标准器的容积校准装置及其校准方法，属于气体流量计量技术领域。
背景技术：
钟罩式气体流量校准装置以钟罩作为主标准器，其流量测量原理为可动的等截面圆筒形钟罩和固定的液槽构成一个容积可变的密封气腔，钟罩外壁设置有不同间距的若干个遮光片，用以标记计量容积，钟罩在运动过程中，遮光片先后触发固定于液槽上的光电开关产生控制信号，控制计时装置完成钟罩排出(或流入)特定气体量ΔV所需时间Δt的测量，由式(1)计算得到标准体积流量qVqV=ΔVΔt---(1)]]>式中，ΔV就是二遮光片间标记的容积，须事先通过一定的校准手段准确测得，其测量准确度直接决定了流量的测量准确度，是影响流量测量准确度的主要因素。
对于钟罩计量容积的校准方法，在中华人民共和国国家计量检定规程《JJG 165-2005钟罩式气体流量标准装置》中有介绍，包括动(静)态容积(质量)法和尺寸测量法，在这些方法中，最容易保证校准准确度的当属动态质量法。如图1所示，动态质量法的校准方法如下(1)按图1所示连接好管路(2)先打开阀门3’，10’和11’，把换向器换向到回流管，接着启动水泵8’，关闭阀门3’，待密封容器内充满水后；关闭阀门10’，11’和水泵8’；(3)开启阀门2’，将钟罩升到最高位置；关闭阀门2’，打开阀门13’，使钟罩与密封容器上部空间相连；待钟罩稳定后开始校准；(4)打开阀门3’，使密封容器内的水以适当流量经换向器和回流管流入水池中。这时钟罩缓慢下降，当下挡板触发光电开关时，光电开关发出信号使换向器换向，将水流导向到标准器中。此时，钟罩继续下降，当上挡板触发光点开关时，光电信号再次使换向器换向，水又经回流管导入水池中；(5)关闭阀门3’，称量排出水质量，至此完成一次校准；(6)重复上述(1))～(5)的步骤，直至完成n(n≥6)次校准。
上述校准方法中，钟罩的准确度等级以相对不确定度形式表征，对于较大尺寸钟罩来说，由于容积本身比较大，因校准方法问题带来的测量不确定度的相对值较小，所以这些方法及步骤适用于较大尺寸钟罩计量容积的校准(一般为5L以上)。但是随着钟罩尺寸的减小，即使在装置机械性能一定的情况下，容积测量相对不确定度的数值也会越大，产生这一结果的直接原因就是现有常规校准方法的局限性，因而在校准用于微小气体流量测量的小尺寸钟罩计量容积时，用传统的校准方法很难达到较高的准确度水平，这也是目前现有的小尺寸钟罩准确度等级难以达到优于1.0级(U≤1.0％(k＝2))水平的主要原因。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种提高小尺寸钟罩容积测量准确度的校准装置及其校准方法，实现超小尺寸钟罩计量容积(最小容积达到10mL)的高准确度校准，进而提高以超小尺寸钟罩为主标准器的微小气体流量校准装置的流量测量准确度水平。
本发明的技术解决方案一种提高小尺寸钟罩容积测量准确度的校准装置，玻璃管路为整个装置的主体结构，包括蓄水容器、位于蓄水容器出口处的第一旋塞阀、与第一旋塞阀一端相接的硅胶管、与硅胶管另一端相接的第二旋塞阀，第二旋塞阀的另一端经过玻璃管向上拐角，再经过第一排气阀后与第三旋塞阀相接，第三旋塞阀的输出端经过玻璃管后分接三路，第一路经过玻璃管与第四旋塞阀相接，第四旋塞阀相接的输出经过玻璃管接至球形玻璃容器，第二路经过玻璃管向上拐角，再经第二排气阀后与电磁截止阀相接，电磁截止阀再经过玻璃管与第五旋塞阀相接，第五旋塞阀的输出经过玻璃管接至球形玻璃容器，第三路经过玻璃管向上拐角后与第六旋塞阀相接，玻璃管再向下拐角，再经过第三排气阀后接第七旋塞阀，第七旋塞阀接细管针头式排水管，在细管针头式排水管的下部设有小口径称量筒，在球形玻璃容器顶部进气口处的两端分别接有第四排气阀和第八旋塞阀，其中第八旋塞阀经过玻璃管接至钟罩调节阀后，与钟罩相连接。
提高小尺寸钟罩容积测量准确度的校准方法，其特点在于步骤如下(1)准备工作按照权利要求所述的校准装置接好管路后，进行管路补水和排气、调定补水流量、调定排水流量、提升钟罩，具体如下a.管路补水、排气除通往细管针头式排水管的第七旋塞阀关闭外，其它旋塞阀和电磁截止阀全部打下，采用水的吸虹原理，将蓄水容器中的水注入至到球形玻璃容器中；同时进行排气，直至玻璃管路中没有气泡为止，关闭所有阀门；b.调定补水流量依次打开第一旋塞阀、第二旋塞阀、第三旋塞阀、第四第旋塞阀、第八旋塞阀和钟罩调节阀，关闭其他阀门，调节第三旋塞阀，控制补水流量，观察钟罩提升情况，保证钟罩在标定段内补水时间最长不超过1min，同时应保证球形玻璃容器内液面尽可能接近球体上部进气口，关闭第一玻璃旋塞阀、第二旋塞阀、第四旋塞阀，并标记此时球形玻璃容器内液面位置；c.调定排水流量依次打开第五旋塞阀、第六旋塞阀、第七旋塞阀和电磁截止阀，调节第七旋塞阀的控制流量，同时观察钟罩下降情况，保证钟罩在标定段内运行时间最长不超过6min，流量调定后，关闭第六旋塞阀和电磁截止阀；d.提升钟罩依次打开第一旋塞阀、第二旋塞阀、第四旋塞阀，等球形玻璃容器内液面升至步骤(b)标记的位置后，依次关闭第一旋塞阀、第二旋塞阀、第四旋塞阀；
(2)开始校准打开第六旋塞阀和电磁截止阀，使水经过细管针头式排水管流入事先准备的备用容器中，钟罩下降至标定段下触点时，通过外部的光电信号控制电磁截止阀关闭，移走备用容器，换上已去掉皮重的小口径称量筒，再次打开电磁截止阀，水流入小口径称量筒中，钟罩下降至标定段上触点时，光电信号再次控制电磁截止阀关闭，将小口径称量筒放在电子天平上称得排出水的表观质量，至此完成一次测试工作；重复上述(1)和(2)步骤进行重复校准，直至n≥6次，完成全部校准工作。
发明与现有技术相比的优点在于(1)本发明掘弃了现有技术的水泵补水方案，利用水的虹吸原理，采用每次校准前都要重新从底部向球形容器补水的方案，最大程度上避免了现有装置中由于极易产生气泡，而降低校准准确度的缺点。
(2)本发明采用补水提升钟罩方案，并固定补水液面和补水速度，首先避免了人工操作带来的钟罩提升速度的不均匀性和提升速度、提升位置的不一致性，有利于提高钟罩运动状态的稳定性和改善容积校准重复性；另外，在重复校准过程中，避免了常规校准方法中，钟罩内湿空气与外界环境干空气频繁交换现象，消除了液体蒸发作用对校准结果的影响，有利于提高容积校准准确度；(3)本发明配备有多个玻璃旋塞阀和排气阀，通过对其进行开关操作和开度大小的调节，可以方便地控制不同分段液体和气泡的流向及流速，弥补了现有装置或方法中存在的不便于分段排气和控制补水、排水速度等不足，提高了校准重复性和稳定性。
(4)本发明的出水口处的排水管段采用细管针头结构，在水的表面张力作用下，不论水流动与否，可确保整个管路中始终处于水充满状态，克服了现有装置在该方面的缺陷，进一步保证了校准重复性。
(5)本发明的称量筒采用小口径称量筒结构，降低了被称量水的蒸发速度，从而使之对称量准确度的影响减小至可忽略不计的程度。
(6)以电磁截止阀代替现有技术中的换向器，采用起始和终止两个光电开关信号为电磁截止阀关阀控制方案，消除了常规动态校准时换向器开、关速度不一致性带来的校准误差。
(7)采用便于观察的透明材料，硬连接处为玻璃管及玻璃容器，软连接处为硅胶管。
(8)本发明方法的流量测量结果不确定度评定结果为U≤0.33％(k＝2)，准确度等级达到了0.5级。
图1为传统动态质量法钟罩容量校准原理示意图；图2为本发明的校准装置结构示意图。
具体实施例方式
如图2所示，本发明主要由蓄水容器19，4个排气阀3、11、13、21，8个玻璃旋塞阀4、5、6、12、14、15、17、22，球形玻璃容器18，电磁截止阀7，硅胶管16，细管针头式排水管8和小口径称量筒9组成，玻璃管路为整个装置的主体结构。注水时，采用水的吸虹原理，将蓄水容器19内的水通过位于其出口处的第一旋塞阀20的控制，以设定的流量向下依次经过与第一旋塞阀20、硅胶管16、与硅胶管16相接的第二旋塞阀14，经过玻璃管向上拐角后接第三旋塞阀12，再经第三旋塞阀12后分三路，其中有两路分别向上经过第四旋塞阀15和电磁截止阀7、第五旋塞阀6后同时注入球形玻璃容器18中，另一路由连接的玻璃管向上拐角后，经第六旋塞阀5、第七旋塞阀4和细管针头式排水管8，以确保水充满整个主体玻璃管路，在玻璃管路的拐角处接有用于放水排气的第一排气阀13、第二排气阀11和第三排气阀3；排水时，球形玻璃容器18中的水依次经过第五旋塞阀6，电磁开关阀7，第六旋塞阀5和第七旋塞阀4，再经过细管针头式排水管8排入小口称量筒9中。
在球形玻璃容器18顶部出口处两端分别接有第四排气阀21和第八旋塞阀22，其中第八旋塞阀22经过玻璃管和调节阀2后接至钟罩1，第四排气阀21的作用主要是排气，第八旋塞阀22的作用是防止水向钟罩1倒流。
图2中的电磁截止阀7作用是实现校准所必需的注水、排气、排水和校准过程的控制，是整个校准装置中不可缺少的硬件载体，电磁截止阀7的关阀控制通过外接光电信号实现。
第二旋塞阀14与第三旋塞阀12之间的拐角，或电磁截止阀7与第六旋塞阀5之间的拐角，或第六旋塞阀5与第七旋塞阀4之间的拐角均小于90度。本发明中的小口径称量筒9的直径小于10mm，所有旋塞阀均为玻璃旋塞阀。
如图2所示，本发明的校准方法如下(1)准备工作按照上述的校准装置接好管路后，进行管路补水和排气、调定补水流量、调定排水流量、提升钟罩1的步骤a.管路补水、排气除通往细管针头式排水管8的旋塞阀关闭外，其它旋塞阀和电磁截止阀7全部打下，采用水的吸虹原理，将蓄水容器19中的水注入至到球形玻璃容器18中；同时进行分段排气，直至玻璃管路中没有气泡为止，关闭所有阀门，停止补水、排气；b.调定补水流量依次打开第一旋塞阀20、第二旋塞阀14、第三旋塞阀12、第四第旋塞阀15、第八旋塞22和钟罩调节阀2，关闭其他阀门，调节第三旋塞阀12，控制补水流量，同时观察钟罩1提升情况，速度不要太快，以目测钟罩1运行平稳为准，且保证钟罩1在标定段内补水时间最长不超过1min，在此流量下，根据所选标定段提升钟罩1至相应高度，一般使所选标定段下触点位置高出光电开关距离不小于20mm，同时应保证球形玻璃容器18内液面尽可能接近球体上部进气口，关闭第一玻璃旋塞阀20、第二旋塞阀14、第四旋塞阀15，并标记此时球形玻璃容器18内液面位置；c.调定排水流量依次打开第五旋塞阀6、第六旋塞阀5、第七旋塞阀4和电磁截止阀7，调节第七旋塞阀4控制流量，同时观察钟罩1下降情况，流量不要太大，以目测钟罩运行平稳为准，且保证钟罩在标定段内运行时间最长不超过6min，流量调定后，关闭第六旋塞阀5和电磁截止阀7，补充关闭第六旋塞阀5和电磁截止阀7的目的是什么；d.提升钟罩依次打开第一旋塞阀20、第二旋塞阀14、第四旋塞阀15，等球形玻璃容器18内液面升至步骤(b)标记的位置后，依次关闭第一旋塞阀20、第二旋塞阀14、第四旋塞阀15，停止提升钟罩。
(2)开始校准打开第六旋塞阀5和电磁截止阀7，水流入备用容器中，钟罩1下降至校准段下触点时，光电信号控制电磁截止阀7关闭，移走备用容器，换上已去掉皮重的小口径称量筒9(注意此时间间隔应尽量短)，光电信号再次控制电磁截止阀7打开，水流入小口径称量筒9中，钟罩1下降至标定段上触点时，光电信号再次控制电磁截止阀7关闭，将小口径称量筒9放在电子天平10上称得排出水的表观质量，经过浮力修正，再通过水密度计算得到排出水体积，此即被校钟罩的容积，至此完成一次测试工作；重复上述(1)和(2)步骤进行重复校准，直至n≥6次，完成全部校准工作；最后取n≥6次的平均值为校准值。
权利要求
1.一种提高小尺寸钟罩容积测量准确度的校准装置，其特征在于玻璃管路为整个装置的主体结构，包括蓄水容器(19)、位于蓄水容器(19)出口处的第一旋塞阀(3)、与第一旋塞阀(20)一端相接的硅胶管(16)、与硅胶管(16)另一端相接的第二旋塞阀(14)，第二旋塞阀(14)的另一端经过玻璃管向上拐角，再经过第一排气阀(13)后与第三旋塞阀(12)相接，第三旋塞阀(12)的输出端经过玻璃管后分接三路，第一路经过玻璃管与第四旋塞阀(15)相接，第四旋塞阀(15)相接的输出经过玻璃管接至球形玻璃容器(18)，第二路经过玻璃管向上拐角，再经第二排气阀(11)后与电磁截止阀(7)相接，电磁截止阀(7)再经过玻璃管与第五旋塞阀(6)相接，第五旋塞阀(6)的输出经过玻璃管接至球形玻璃容器(18)，第三路经过玻璃管向上拐角后与第六旋塞阀(5)相接，玻璃管向上再向下拐角，再经过第三排气阀(3)后接第七旋塞阀(4)，第七旋塞阀(4)接细管针头式排水管(8)，在细管针头式排水管(8)的下部设有小口径称量筒(9)，在球形玻璃容器(18)顶部进气口处的两端分别接有第四排气阀(21)和第八旋塞阀(22)，其中第八旋塞阀22)经过玻璃管接至钟罩调节阀(2)后，与钟罩(1)相连接。
2.根据权利要求1所述的提高小尺寸钟罩容积测量准确度的校准装置，其特征在于所述的第二旋塞阀(14)与第三旋塞阀(12)之间的拐角，或电磁截止阀(7)与第六旋塞阀(5)之间的拐角，或第六旋塞阀(5)与第七旋塞阀(4)之间的拐角均小于90度。
3.根据权利要求1所述的提高小尺寸钟罩容积测量准确度的校准装置，其特征在于所述的小口径称量筒(9)的直径小于10mm。
4.根据权利要求1所述的提高小尺寸钟罩容积测量准确度的校准装置，其特征在于所述的电磁截止阀(7)的关阀控制通过外接光电信号实现。
5.根据权利要求1所述的提高小尺寸钟罩容积测量准确度的校准装置，其特征在于所述的旋塞阀均为玻璃旋塞阀。
6.提高小尺寸钟罩容积测量准确度的校准方法，其特征在于步骤如下(1)准备工作按照权利要求所述的校准装置接好管路后，进行管路补水和排气、调定补水流量、调定排水流量、提升钟罩，具体如下a.管路补水、排气除通往细管针头式排水管(8)的第七旋塞阀(4)关闭外，其它旋塞阀和电磁截止阀(7)全部打下，采用水的吸虹原理，将蓄水容器(19)中的水注入至到球形玻璃容器(18)中；同时对玻璃管路进行排气，直至玻璃管路中没有气泡为止，关闭所有阀门；b.调定补水流量依次打开第一旋塞阀(20)、第二旋塞阀(14)、第三旋塞阀(12)、第四第旋塞阀(15)、第八旋塞阀(22)和钟罩调节阀(2)，关闭其他阀门，调节第三旋塞阀(12)，控制补水流量，观察钟罩(1)的提升情况，保证钟罩在标定段内补水时间最长不超过1min，同时应保证球形玻璃容器内液面尽可能接近球体上部进气口，关闭第一玻璃旋塞阀、第二旋塞阀、第四旋塞阀，并标记此时球形玻璃容器内液面位置；c.调定排水流量依次打开第五旋塞阀、第六旋塞阀、第七旋塞阀和电磁截止阀，调节第七旋塞阀的控制流量，同时观察钟罩下降情况，保证钟罩在标定段内运行时间最长不超过6min，流量调定后，关闭第六旋塞阀和电磁截止阀；d.提升钟罩依次打开第一旋塞阀、第二旋塞阀、第四旋塞阀，等球形玻璃容器内液面升至步骤(b)标记的位置后，依次关闭第一旋塞阀、第二旋塞阀、第四旋塞阀；(2)开始校准打开第六旋塞阀和电磁截止阀，使水经过细管针头式排水管流入事先准备的备用容器中，钟罩下降至校准段下触点时，控制电磁截止阀关闭，移走备用容器，换上已去掉皮重的小口径称量筒，再次打开电磁截止阀，水流入小口径称量筒中，钟罩下降至标定段上触点时，控制电磁截止阀关闭，将小口径称量筒放在电子天平上称得排出水的表观质量，至此完成一次测试工作；对上述(1)和(2)步骤进行重复校准，直至n≥6次，完成全部校准工作。
7.根据权利要求6所述的提高小尺寸钟罩容积测量准确度的校准方法，其特征在于所述的电磁截止阀(7)的关阀采用起始和终止两个光电开关信号进行控制。
全文摘要
一种提高小尺寸钟罩容积测量准确度的校准装置主要由蓄水容器、4个位于玻璃管拐角处的排气阀、8个玻璃旋塞阀、球形玻璃容器、电磁截止阀、硅胶管、细管针头式排水管和小口径称量筒等组成，玻璃管路为整个装置的主体结构；校准方法包括准备步骤和校准步骤，准备步骤需按照校准装置接好管路后，进行管路补水和排气、调定补水流量、调定排水流量、提升钟罩，校准工作通过n≥6次，完成全部校准工作。本发明实现超小尺寸钟罩计量容积(最小容积达到10ml)的高准确度校准，进而提高以超小尺寸钟罩为主标准器的微小气体流量校准装置的流量测量准确度水平。
文档编号G01F25/00GK1948930SQ20061014587
公开日2007年4月18日 申请日期2006年11月21日 优先权日2006年11月21日
发明者李强, 杨宏海 申请人:北京航天计量测试技术研究所