气体流量测量和校准的原理与实践

一、气体流量校准的基本公式

 

二、气体流量校准的基本原理

•进行比较法流量测量的重要因素

•质量流量与体积流量: 设备和单位

•泄露对测量的影响

•建立稳定气流状态的重要性

•硬件配置注意事项

•基标准和二级标准

•福禄克流量校准中的新内容

三、基本假定:

对于顺序连接的流量参考设备和被测设备, 通过每个部分的流量是相等的。

 

此假设至少依赖于三个因素

1.      测量的量是质量

2.      无泄漏

3.      排除了瞬时影响(稳定状态流量)

体积流量和质量流量

•体积流量是体积比时间:qv=cc/min

•质量流量是质量比时间:qm=g/min

•标准质量流量: 质量流量单位常被表示为某种标准状态下的体积流量单位:

• sccm, slm, sm3/h 是质量流量单位.

• cc/min, ccm, or accm 是体积流量单位.

提示:表示为体积流量单位的质量流量单位是测量误差的常见来源.

问题1: 气体流量测量的根本是基 于质量流量还是体积流量？

理解标准质量流量单位(sccm, slm)

在两种不同压力和温度条件下（密度）的1      毫升(cc) 体积

 

每个体积内的质量（分子数量）是不同的. 标准状态毫升(standard      cubic         centimeter,      scc) 定义标准状态下（压力和温度）每毫升的质量

为什么是质量流量?

几乎所有的气体流量都依据于质量流量，不是体积流量.

质量流量对一下应用是非常重要的:

• 运输监护

• 气体混合

• 化工 / 生物反应

• 泄漏率监测

• 化学蒸汽沉积 / 蚀刻...

质量流量对体积流量

质量流量是守恒的:        qm1 = qm2

 

体积流量不是守恒的:   qm1 ≠ qm2

 

在密闭系统中，气体密度随温度和压力的变化而改变。

必须知道气体密度才能进行准确、直接的气体流量比较测量!

问题2: 可否使用质量流量标准器 对体积流量仪表进行校准？

质量流量对于体积流量

qm   =       qv     • ρ

 

 

    ρ = 密度

理想气体定律

 

体积流量举例:

 

使用理想气体定律方程 (近似)

 

对于理想气体，此处:

qm=参考为标准状态的质量流量

qv = 实际条件下的体积流量(cc/min, l/min)

P,T=实际压力，温度

PN,TN=质量流量单位(sccm, slm)的参考压力和温度

* 必须使用绝对压力和温度

使用理想气体定律方程(实际)

包含压缩系数

 

对于理想气体，此处:

Z = 实际条件下的气体压缩系数

ZN = 标准条件下的气体压缩系数

*必须使用绝对压力和温度总结:

• 由于通过系统的气体质量守恒，使用比较法对气体流量设备校准更加容易.

• 即使需要校准体积流量设备，仍可使用质量流量标准. 被检表的质量流量与标准器的质量流量相等，使用单位转换即可轻易获得想要的体积流量。.

转子流量计

某些流量计的输出受到气体密度变化的不同影响，尤

其是对于变面积的流量计，例如转子流量计 

 

这里:

qm design = 给予参考压力温度状态下的质量流量

qm current = 当前测量质量流量

ρ design = 转子流量计在参考温度压力状态下的气体密度

ρ current =转子流量计在当前温度压力状态下的气体密度

* 必须测量转子流量计的当前状态（温度、压力）

泄露

如果参考设备和被测设备之间存在泄露，则标准和

被测测量的流量不同。

 

发现泄露的常用方法

1. 隔离系统并测量压力下降

2. 隔离系统并观察流量指示

3. 液体皂泡

泄露在数据中的影响

•       包含有明显泄露的数据将显示为一个恒定的流量偏移（误差）, 在低

流量点的百分比更大

 

当存在泄露时，上游的流量总是大于下游的流量

瞬时影响

在进行比较法测量之前要建立稳定状态的流量

一定长的时间内,   流经参考设备 和被测设备的流量是相等的, 但 在某个短时间内他们可能不同.

在调节流量之前应等到稳定状态

在进行比较法测量之前要建立稳定状态的流量

• 优化压力和流量控制硬件以达到稳定

在进行比较法测量之前要建立稳定状态的流量

• 进行数据平均可减小测量噪声

• 在同一时间周期内对所有设备数据进行平均

 

•       提示： molbox流量测量主机和COMPASS 软件可以在流量达到 稳定并可读取数据时提供提示，并且在自动数据采集期间将自 动进行等待和数据平均。

正向位移采集设备(钟罩/活塞式校准仪):

当流量从旁路转为测量状态时压力(和流量) 发生波动

•       对于传统低速钟罩是或密封水印活塞式校准 仪,在活塞运动开始后必须使用特殊的处理来 等待稳定，

•       必须确认平均时间的对齐

考虑流动气体的影响

• 优化流动气体的压力和温度稳定

• 将系统置于环境条件稳定的地方.

• 如果气源在外部，或气体压力以较高流速从高压转为低压时

可能产生温度下降，则需要换热器来将气体温度变为室温.

考虑流动气体的影响

• 使用量程匹配的高品质的过滤器和调压阀，建立洁净、稳定

的气源.

• 通过减小提供溶剂来减小环境温度压力波动对系统可能造成

的影响

• 必要时使用直的流道.

• 考虑到可能导致压力下降的各种限制情况

流量基标准

流量基标准可以对其它流量设备进行校准和量值传递。流量基

标准可以达到的测量水平是其它设备达不到的。

• 选择流量标准时，最重要的是考虑基准设备是如何测量，而不是

“测得多准”。

• 测量不确定度、操作、功能和其它独特特点是最重要的。

流量基标准– 福禄克称重法流量基准系统

 

流量基标准和二级标准通常认为流量基准是具有最高性能和水平的设备。但也不全是。下图所示为如何使用一个传递标准与一个体积流量基准设备进行比较

 

四、流量基标准和二级标准

二级标准与基标准相比的好处是成本更低，使用更加容易，更不容易受环境影响，更加便携，应用范围更广，气体流量范围更宽，可以实现自动化等等优点。

 

五、福禄克提供两种气体流量标准供选择:

• molbloc/molbox

• 高精度流量标准

• 范围1 sccm ~ 5000+ slm

• 快速，自动化

• 2000种以上系统应用

•GFS2102

•称重法气体流量基准

•1 sccm ~ 10 slm

•专门用于低不确定度流量校准应用(如校准molblocs流量模块)molbox 流量测量主机测量molbloc流量模块上的压力和温度，计算并显示流量.

常见的流量校准系统包含几个molbox主机、molbloc流量模块、

附件和软件等