GBT 5275.6-2023 氣體分析 動(dòng)態(tài)法制備校準(zhǔn)用混合氣體 第6部分：臨界流銳孔

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)IGB/T5275.6—2023/ Ⅲ 1 1 1 3 4 66.1概述 6 6 7 87混合氣體物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算及相關(guān)不確定度的評(píng)定 87.1概述 87.2計(jì)算物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)及相關(guān)不確定度 97.3關(guān)于物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)不確定度的說(shuō)明 8混合氣體的制備 8.1混合系統(tǒng)示例 8.2操作條件 9校準(zhǔn)和驗(yàn)證 9.2混合系統(tǒng)流量的校準(zhǔn) 9.3制備特定組分和濃度的混合氣體的裝置的校準(zhǔn) 9.4混合系統(tǒng)的驗(yàn)證 A.1等熵系數(shù)計(jì)算示例 A.2動(dòng)力黏度計(jì)算示例 A.3臨界流系數(shù)Cr計(jì)算示例 附錄B(資料性)實(shí)際條件下質(zhì)量流量和體積流量的計(jì)算 B.1質(zhì)量流量的計(jì)算 B.2體積流量的計(jì)算 附錄C(資料性)理想和實(shí)際條件下環(huán)形臨界流銳孔的流量計(jì)算示例 附錄D(資料性)使用純氮?dú)膺M(jìn)行流量校準(zhǔn)來(lái)計(jì)算質(zhì)量流量的示例 Ⅱ 20 附錄NA(資料性)本文件對(duì)ISO6145-6:2017所做的編輯性改動(dòng) 22 23 5 表1壓力和氣體類型對(duì)臨界壓力比的影響 5表2氮中甲烷混合氣體的計(jì)算示例 表3氮?dú)庵屑淄榛旌蠚怏w(包含純度修正)的計(jì)算示例 表NA.1本文件對(duì)ISO6145-6:2017所做的編輯性改動(dòng) 22Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件是GB/T5275《氣體分析動(dòng)態(tài)體積法制備校準(zhǔn)用混合氣體》的第6部分。GB/T5275已經(jīng)發(fā)布了以下部分：——第1部分：校準(zhǔn)方法；——第2部分：活塞泵；——第4部分：連續(xù)注射法；——第5部分：毛細(xì)管校準(zhǔn)器；——第6部分：臨界流銳孔；-—第7部分：熱式質(zhì)量流量控制器；——第8部分：擴(kuò)散法；——第9部分：飽和法；——第10部分：滲透法；——第11部分：電化學(xué)發(fā)生法。本文件代替GB/T5275.6—2014《氣體分析動(dòng)態(tài)體積法制備校準(zhǔn)用混合氣體第6部分：臨界銳孔》,與GB/T5275.6—2014相比，除結(jié)構(gòu)調(diào)整和編輯性改動(dòng)——增加了術(shù)語(yǔ)和定義一章(見(jiàn)第3章);——增加了符號(hào)一章(見(jiàn)第4章);——更改了與原理、設(shè)備有關(guān)的內(nèi)容(見(jiàn)第5章，2014年版的第3章和第4章);———更改了質(zhì)量流量和體積流量的計(jì)算(見(jiàn)第6章，2014年版的5.1,5.3);——更改了計(jì)算物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)及相關(guān)不確定度評(píng)定(見(jiàn)第7章，2014年版的5.4);——更改了制備混合氣體的應(yīng)用(見(jiàn)第8章，2014年版的第4章);——增加了校準(zhǔn)和驗(yàn)證(見(jiàn)第9章)。本文件等同采用ISO6145-6:2017《氣體分析動(dòng)態(tài)法制備校準(zhǔn)用混合氣體第6部分：臨界流銳本文件做了下列最小限度的編輯性改動(dòng)：請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)提出。本文件由全國(guó)氣體標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC206)歸口。本文件起草單位：昊華氣體有限公司、中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院化學(xué)研究所、深圳市諾安智能股份有限公司、北京易優(yōu)凱科技有限公司、廣東華特氣體股份有限公司、江西華特電子化學(xué)品有限公司、昊華氣體有限公司西南分公司、西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司、杭氧集團(tuán)股份有限公司、中船(邯鄲)派瑞特種氣體股份有限公司、浙江省化工研究院有限公司、四川中測(cè)標(biāo)物科技有限公司、浙江省標(biāo)準(zhǔn)化研究院、上海申南特種氣體有限公司、上海華愛(ài)色譜分析技術(shù)有限公司、深圳供電局有限公司、武漢華星工業(yè)技術(shù)有限公司。本文件于2014年首次發(fā)布，本次為第一次修訂。GB/T5275.6—2023/I動(dòng)態(tài)法是制備校準(zhǔn)用混合氣體的一大類重要方法，ISO為此專門編制了ISO6145系列標(biāo)準(zhǔn)GB/T5275(所有部分)均等同采用ISO6145系列標(biāo)準(zhǔn)。由于篇幅較長(zhǎng)，ISO6145分為11部3部分也對(duì)應(yīng)地空缺。GB/T5275(所有部分)規(guī)定了動(dòng)態(tài)法制備校準(zhǔn)用混合氣體的通用要求，并具體GB/T5275由10個(gè)部分構(gòu)成。 提供合理選擇一種或多種校準(zhǔn)用混合氣體制備方法，并將這些方法與國(guó)家測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系起 第2部分：活塞泵。目的在于提供使用活塞泵由兩種或多種純氣或其他混合氣體制備校準(zhǔn)用混合氣體的方法，及所制備的校準(zhǔn)用用混合氣體中各組分含量的計(jì)算方法以及不確定度評(píng)定—第4部分：連續(xù)注射法。目的在于提供由純氣或其他混合氣體通過(guò)注射器向平衡氣中連續(xù)注合氣體中各組分含量的計(jì)算方法以及不確定度評(píng)定方式。 第5部分：毛細(xì)管校準(zhǔn)器。目的在于提供使用內(nèi)含單個(gè)或多個(gè)毛細(xì)管組合的設(shè)備由純氣體或混合氣體連續(xù)制備校準(zhǔn)用混合氣體的方法，及所制備的校準(zhǔn)用混合氣體中各組分含量的計(jì)算 第6部分：臨界流銳孔。目的在于提供使用臨界流銳孔由兩種或多種由純氣或其他使用氣體混合制備校準(zhǔn)用混合氣體的方法，及所制備的校準(zhǔn)用混合氣體中各組分含量的計(jì)算方法以及 第7部分：熱式質(zhì)量流量控制器。目的在于提供使用熱式質(zhì)量流量控制器由純氣或混合氣連續(xù)制備校準(zhǔn)用混合氣體的方法，及所制備的校準(zhǔn)用混合氣體中各組分含量的計(jì)算方法以及不第8部分：擴(kuò)散法。目的在于提供使用擴(kuò)散法制備由兩種或多種由純氣或其他使用氣體混合制備校準(zhǔn)用混合氣體的方法，及所制備的校準(zhǔn)用混合氣體中各組分含量的計(jì)算方法以及不確 第9部分：飽和法。目的在于提供使用飽和法由一種或多種易冷凝的氣體連續(xù)制備校準(zhǔn)用混 第10部分：滲透法。目的在于提供使用滲透法由純氣體或混合氣體連 第11部分：電化學(xué)發(fā)生法。目的在于提供使用電化學(xué)發(fā)生法由純氣體準(zhǔn)用混合氣體的方法，及所制備的校準(zhǔn)用混合氣體中各組分含量的計(jì)算方法以及不確定度評(píng)1氣體分析動(dòng)態(tài)法制備校準(zhǔn)用混合氣體ISO6143氣體分析校準(zhǔn)混合氣組成的測(cè)定和校驗(yàn)的比較法(Gasanalysis—ComparisonmethodsfordeterminingandcheckingISO7504氣體分析詞匯(Gasanalysis—Vocabulary)Comparisonmethodsforthedeterminationofthecompositionofpointcalibration)ISO16664氣體分析校準(zhǔn)用純氣和混合氣體的使用指南(Gasanalysis—Handlingofcalibra-2GB/T5275.6—2023/IS 靜態(tài)壓力staticpressure滯止壓力stagnationpressure流動(dòng)的氣體以等熵過(guò)程到達(dá)流速為零時(shí)所具有流動(dòng)的氣體以等熵過(guò)程到達(dá)流速為零時(shí)所具有單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)銳孔的氣體的物質(zhì)的量。喉部雷諾數(shù)throatReynoldsnumberRe根據(jù)氣體流量和臨界流銳孔入口滯止條件下的氣體動(dòng)力黏度計(jì)算出的無(wú)量綱參數(shù)。γ流出系數(shù)dischargecoefficientC3GB/T5275.6—2023/ISO6145臨界流量criticalflowrate臨界流函數(shù)criticalflowfunction表征銳孔的入口和喉部之間的等熵和一維流的熱力學(xué)流動(dòng)特性的無(wú)量綱函數(shù)。壓縮因子compressibilityfactor用數(shù)值表示在滯止壓力和溫度下，實(shí)際氣體的性質(zhì)與按照理想氣體定律計(jì)算結(jié)果的偏離的修正4符號(hào)符號(hào)A臨界流銳孔喉部面積c計(jì)算所得的臨界流銳孔流出系數(shù)C靈敏系數(shù)4pnT。Y流過(guò)臨界流銳孔的氣體流速—一 KKK5 圖1臨界流銳孔示例在恒溫條件下，對(duì)于給定的氣體，臨界壓力比r*按公式(1)計(jì)算：附錄A的A.1介紹了計(jì)算等熵系數(shù)γ的各種方法。對(duì)于單原子、雙原子和三原子氣體，臨界壓力比約為0.5,受壓力和溫度影響，如表1所示。表1壓力和氣體類型對(duì)臨界壓力比的影響℃上游壓力下游壓力臨界壓力比注：γ值是當(dāng)p=po時(shí)，使用NISTREFPROPV9.0數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)計(jì)算而得的值。6GB/T5275.6—2023/ISO614將已知流量的從一個(gè)或多個(gè)臨界流銳孔流出的補(bǔ)充氣與待稀釋氣體在氣體混勻裝置的混合腔內(nèi)混行校準(zhǔn)(可溯源的流量校準(zhǔn)或分析法比較)。因?yàn)闅怏w體積流量的計(jì)算公式中含有該氣體的摩爾質(zhì)6質(zhì)量流量和體積流量的計(jì)算6.1概述臨界流銳孔的質(zhì)量流量和體積流量與臨界流銳孔上游的滯止壓力成正比，與絕對(duì)滯止溫度的平方根成反比。依據(jù)ISO9300,能計(jì)算在理想狀態(tài)和實(shí)際條件下，以音速(低于臨界壓力比)流過(guò)臨界流銳孔的氣體流量。實(shí)際條件下的流量計(jì)算方法見(jiàn)附錄B。理想狀態(tài)和實(shí)際條件下的流量計(jì)算示例見(jiàn)附錄C。質(zhì)量流量與體積流量的換算見(jiàn)6.2。qm——質(zhì)量流量；A——臨界流銳孔喉部面積；R——摩爾氣體常數(shù)；po=Pin…………(4)T。理想狀態(tài)下絕對(duì)滯止溫度，按公式(5)計(jì)算：7GB/T5275.6—2023/ISO6145-6:20 (5) (6)6.3采用純氮?dú)庑?zhǔn)的裝置的質(zhì)量流量的計(jì)算實(shí)際應(yīng)用中，通常采用純氮?dú)庑?zhǔn)裝置的流量。將裝置運(yùn)用于另一種氣體G時(shí)，需要計(jì)算氣體G與氮?dú)獾谋戎礙。如果所有臨界流銳孔的溫度均勻，則計(jì)算準(zhǔn)確，并在任意溫度下進(jìn)行校準(zhǔn)。在理而最終氣體G與氮?dú)獾谋戎礙按公式(13)進(jìn)行計(jì)算： (11) (12)由于該比值在理想狀態(tài)而非實(shí)際條件下計(jì)算而得，這可能會(huì)影響流量計(jì)算的準(zhǔn)確度。通8GB/T5275.6—2023/I6.4氣體流量不確定度的計(jì)算按照GUM方法0規(guī)定的不確定度傳播律，以及質(zhì)量只要各個(gè)臨界流銳孔喉部溫度相同，則近似地認(rèn)為，溫度的微小變化引起的流量比變化可忽略通過(guò)臨界流銳孔的氣體體積流量取決于臨界流銳孔上游壓力。因此，使用穩(wěn)定的氣體壓力調(diào)節(jié)閥，使上游壓力保持恒定是十分重要的。為使要求制備的混合氣體物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)的相對(duì)擴(kuò)展不確定度達(dá)到0.5%,上游壓力值重復(fù)性宜小于0.2%。由于臨界流銳孔喉部直徑dn小，難以評(píng)定由臨界流銳孔喉部面積A和流出系數(shù)c引入的不確臨界流銳孔混合氣體制備系統(tǒng)中每個(gè)臨界流銳孔宜具有相同溫度。如果混合過(guò)程中兩種組分氣體鑒于公式(2)和公式(6)中各參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定比較復(fù)雜，能采用另一種基于裝置流量的校準(zhǔn)校準(zhǔn)證書中給出的不確定度能直接用作流量的不確定度。通常，此相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度介于0.2%~制備校準(zhǔn)用混合氣體時(shí)，一路氣體(氣體1)流經(jīng)臨界流銳孔，補(bǔ)充氣(氣體2)流經(jīng)另一個(gè)臨界流銳9確認(rèn)給出混合氣體體積分?jǐn)?shù)時(shí)的環(huán)境條件(p和T)與混合氣體時(shí)和使用氣體時(shí)的條件一致是7.2.1氣體純度≥99.99%的情況這種情況下能建模為公式(14):(qm)?——?dú)怏w1的質(zhì)量流量；(qm)?——?dú)怏w2(補(bǔ)充氣)的質(zhì)量流量；M?——?dú)怏w1的摩爾質(zhì)量；M?——?dú)怏w2的摩爾質(zhì)量。 (15)對(duì)公式(15)求導(dǎo)得到dq: (16)GB/T5275.6—2023/ISO下例中，假設(shè)兩路氣體按質(zhì)量流量相混合(見(jiàn)表2)。與質(zhì)量流量相關(guān)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為2.1第一路氣體是甲烷，第二路氣體是氮?dú)?。假設(shè)氣體純度為100%。摩爾質(zhì)量從IUPAC?]2007年公布表2氮中甲烷混合氣體的計(jì)算示例量y?的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。氣體純度的影響能用以下模型表示。用主要組分的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)作為修正因子來(lái)修正qM?。假設(shè)前述例子中甲烷純度為99.9%,氮?dú)饧兌葹?9.99%(都以摩爾為單位)。未進(jìn)行純度修正時(shí)，偏倚分別為0.001mol/mol和0.0001mol/mol。因此，對(duì)于(qm)?和(qm)?,宜使用因子(甲烷x=0.999,氮?dú)鈞=0.9999)進(jìn)行修正。將偏倚(分別為10-3和10-?)與(qm)?和(qm)?相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行合成：包含甲烷和氮?dú)饧兌鹊牟淮_定度評(píng)定如表3所示。表3氮?dú)庵屑淄榛旌蠚怏w(包含純度修正)的計(jì)算示例量4-1.58×10-—6.22×10-y?的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。根據(jù)現(xiàn)有的流量校準(zhǔn)技術(shù)，當(dāng)包含因子為2時(shí)，混合氣體物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)相對(duì)擴(kuò)展不確定度為2.2%。如果原料氣1是含有組分i的預(yù)混合氣體，原料氣2是含有組分i(例如，作為雜質(zhì))的補(bǔ)充氣，則制備的混合氣體中組分i的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)的計(jì)算公 M,原料氣2的摩爾分子質(zhì)量；T?——原料氣1中組分的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)；xi?——原料氣2中組分的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。n——混合氣體的組分?jǐn)?shù)；樣也就得到了原料氣2的表達(dá)式。根據(jù)(qn):=(qm);/M,(qn)?和(qn)?對(duì)(qm);和M;分別求導(dǎo)如下：GB/T5275.6—2023/ISO6145-67.3關(guān)于物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)不確定度的說(shuō)明根據(jù)現(xiàn)有的流量校準(zhǔn)技術(shù)(見(jiàn)6.3),使用兩組分純氣混合制備的氣體物質(zhì)的量(或質(zhì)量)分?jǐn)?shù)的最優(yōu)相對(duì)擴(kuò)展不確定度能達(dá)到0.5%(包含因子為2)。制備的混合氣體的不均勻性是另一個(gè)潛在的不確定度檢驗(yàn)來(lái)源。應(yīng)依據(jù)ISO6143或ISO129638混合氣體的制備8.1混合系統(tǒng)示例圖2是利用臨界流銳孔制備氣體A和氣體B的混合氣體的裝置示意圖。每條氣體管路上游都裝有一個(gè)減壓閥(1A和1B)和一個(gè)壓力計(jì)(2A操作氣體混合系統(tǒng)時(shí)，打開(kāi)氣體鋼瓶閥門并調(diào)整壓力計(jì)上的讀數(shù)至設(shè)備制造這是氣體混合系統(tǒng)最簡(jiǎn)單的組成方式。使用更多臨界流銳孔的復(fù)雜系統(tǒng)，能用于制備更復(fù)雜的混應(yīng)采取所有動(dòng)態(tài)制備方法中通用的預(yù)防措施。應(yīng)特別注意氣路所用的材料，應(yīng)選擇低孔隙度的非9校準(zhǔn)和驗(yàn)證每年應(yīng)對(duì)混合系統(tǒng)至少校準(zhǔn)一次，以獲得臨界流銳孔流量及其不確定度。該校準(zhǔn)應(yīng)由有能力進(jìn)行GB/T5275.6—2023/ISO6145-6:20可溯源的流量測(cè)量和不確定度計(jì)算的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室完成，其結(jié)果參數(shù)用于計(jì)算依據(jù)本方法制備的混合氣通過(guò)將裝置產(chǎn)生的混合氣體與已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行比較，能校準(zhǔn)用于部分)1]?；谙嚓P(guān)技術(shù)，使用外推法或插值法時(shí)宜格外注意。必須考慮可溯源的標(biāo)準(zhǔn)混合氣體的不使用合適的氣體分析儀測(cè)量混合系統(tǒng)產(chǎn)生的氣體和標(biāo)準(zhǔn)混合氣體濃度，并對(duì)量值進(jìn)行比較。根據(jù)yo——產(chǎn)生的混合氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；y?標(biāo)準(zhǔn)氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；u(y?)——產(chǎn)生的混合氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；u(y?)——標(biāo)準(zhǔn)氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。如果D≤2,則通過(guò)氣體混合系統(tǒng)產(chǎn)生的氣體的量值和標(biāo)準(zhǔn)氣體的量值之間沒(méi)有顯著差異。氣體如果D>2,則通過(guò)氣體混合系統(tǒng)產(chǎn)生的氣體的量值和標(biāo)準(zhǔn)氣體的量值之間存在顯著差異。氣體混合系統(tǒng)有漂移，不滿足要求。建議調(diào)查產(chǎn)生差異的原因。并建議采取補(bǔ)救措施、糾正措施和預(yù)防措也可采用其他無(wú)需標(biāo)準(zhǔn)氣體的核查方法：使用一個(gè)線性好的氣體分析儀測(cè)量混合系統(tǒng)產(chǎn)生的多個(gè)(資料性)C,——定壓比熱容C,即氣體在恒定壓力下的摩爾比熱容；Cv——定容比熱容Cv,即氣體在恒定體積下的摩爾比熱容。理想氣體的等熵系數(shù)不取決于壓力和溫度。單原子氣體等熵系數(shù)等于5/3,雙原子氣體等熵系數(shù)等于7/5,多原子氣體等熵系數(shù)等于4/3。而實(shí)際氣體的等熵系數(shù)取決于壓力和溫度。不同溫度和壓力下C,、Cv或直接的γ值可由許多途徑獲得。表A.1比較了從NIST的REFPROP9.0數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得的氮?dú)?、氬氣和甲烷的等熵膨脹系?shù)γ值。氬氣的這兩項(xiàng)值之間的最大差值為0.0688。K壓力[式(A.1)]2222甲烷22A.2動(dòng)力黏度計(jì)算示例使用表A.2所示的NIST的REFPROPV9.0數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)能計(jì)算出氣體的動(dòng)力黏度η。表A.2使用REFPROPV9.K壓力72222甲烷22可以從NIST數(shù)據(jù)庫(kù)或ISO9300中給出的公式進(jìn)行計(jì)算。表A.3是兩種計(jì)算結(jié)果的比較。這兩種計(jì)算方式的結(jié)果的最大差異小于1×10-4。K壓力2222甲烷22(資料性)實(shí)際條件下質(zhì)量流量和體積流量的計(jì)算B.1質(zhì)量流量的計(jì)算公式(B.1)給出了實(shí)際條件下通過(guò)臨界流銳孔的氣體質(zhì)量流量：A——臨界流銳孔喉部面積；c——為臨界流銳孔的流出系數(shù)；CR——校準(zhǔn)氣體在實(shí)際條件下的臨界流系數(shù)，取決于p、T;R——摩爾氣體常數(shù)；M——校準(zhǔn)氣體的摩爾質(zhì)量。代進(jìn)行的。當(dāng)連續(xù)迭代值之間的差異低于1×10-?kg/sA.3中給出了不同壓力和溫度下的不同校準(zhǔn)氣體的臨界流函數(shù)。c=a-b×Re-"B.2體積流量的計(jì)算(資料性)理想和實(shí)際條件下環(huán)形臨界流銳孔的流量計(jì)算示例噴嘴喉部直徑=0.0002436m管道直徑=0.008m1)理想條件下p=1.2505kg/m3(T=273K,p=1013.25hPa)2)實(shí)際條件下質(zhì)量流量公式(B.1)可以通過(guò)先假設(shè)公式(B.2)中雷諾數(shù)為無(wú)窮大，然后用算出的流量和下列系數(shù)b=3.4迭代直至質(zhì)量流量變化小于1×10-?kg/s:qm=2.5980×10-?kg·s-1或qγ=1.2466L·min-1(T=273K,p=1013.計(jì)算出的理想氣體和實(shí)際氣體的質(zhì)量流量