摘要
轉(zhuǎn)子流量計(jì)用于氣體采樣測量,其指示值與實(shí)際流量因氣壓、溫度的不同會(huì)有一定的誤差,對流量計(jì)的指示值進(jìn)行修正后才能得到真實(shí)流量值。本文介紹了轉(zhuǎn)子流量計(jì)指示值在非標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和抽氣中在流量計(jì)入口處出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)兩種情況下的修正方法,以及氣體采樣測量中的注意事項(xiàng)。轉(zhuǎn)子流量計(jì)用于氣體采樣測量中應(yīng)注意的問題
1引言
轉(zhuǎn)子流量計(jì)是測定氣體流量(即流率)的常用計(jì)量器具,在使用中其讀數(shù)值不一定等于實(shí)際的流量值。從轉(zhuǎn)子流量計(jì)的讀數(shù)獲得正確流量值有一定條件,一個(gè)合格流量計(jì)的刻度是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下得到的,與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)不同的使用條件需要對讀數(shù)進(jìn)行修正,關(guān)于影響讀數(shù)修正的使用條件以及怎樣才能獲得正確流量值是本文闡述的內(nèi)容。這個(gè)問題似乎是老生常談,但對某些進(jìn)行放射性氣體或氣溶膠的采樣測量的工作者卻時(shí)有模糊,有待注意和澄清。
轉(zhuǎn)子流量計(jì)工作時(shí),轉(zhuǎn)子(也稱為浮子)受到兩個(gè)力的作用:一是垂直向上的推動(dòng)力,它等于流體流經(jīng)轉(zhuǎn)子與錐管間的環(huán)形截面形成的壓力差所產(chǎn)生的浮力;另一是轉(zhuǎn)子本身垂直向下的凈重力。當(dāng)壓力差與轉(zhuǎn)子的凈重力相等時(shí),轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài),即停留在一定位置上,轉(zhuǎn)子停留的高度就反映了流量的大小。問題是這停留高度與流量大小兩者之間的對應(yīng)關(guān)系還與一系列條件(氣壓、溫度、流體狀態(tài)等)有關(guān),本文就這些方面分別介紹。
2轉(zhuǎn)子流量計(jì)的氣壓(溫度)效應(yīng)
轉(zhuǎn)子流量計(jì)的刻度示值是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(101.3kPa,293K)下得出的,當(dāng)用于非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)使用條件下的真實(shí)流量值與讀數(shù)值是不同的,有以下關(guān)系[1]:
式中,QS為使用條件下的真實(shí)流量值;QN為流量計(jì)讀數(shù)(按流量計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)條件下刻度的示值讀出的);PN,PS分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和使用條件的絕對氣壓;TN,TS分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和使用條件的絕對溫度。
例如:在烏魯木齊,當(dāng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)用于氣壓約為92.3kPa、氣溫293K條件下,若QN=0.85Lmin,則由式(1)得QS=0.89Lmin,真實(shí)流量值大于其讀數(shù)值。
在我國內(nèi)地,氣壓一般與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)相近(PS≈PN,TS≈TN),此項(xiàng)修正問題不大。但在氣體采樣中如果流量計(jì)上游連接有過濾器或調(diào)節(jié)閥門,有可能使流量計(jì)入口氣壓顯著降低,這是氣體采樣測量中常出現(xiàn)的問題,不可忽視。這種情況下,氣體真實(shí)流量值則按下式計(jì)算:
式中,QS為使用條件下的真實(shí)流量值;QS為流量計(jì)讀數(shù);PN、Pλ分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和流量計(jì)入口的絕對氣壓;TN、Tλ分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和流量計(jì)入口的絕對溫度。情況是否確實(shí)如此,下面用一實(shí)例[2]予以說明。
圖1所示的氣流回路可定量觀測入口抽氣負(fù)壓對流量計(jì)指示值引起的測量誤差。在流量計(jì)入口端裝一只調(diào)節(jié)閥門,啟動(dòng)抽氣泵抽氣,用調(diào)節(jié)閥把轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)到不同的指示值,用串接在氣路入口的煤氣表(或其他不受壓力影響的氣動(dòng)儀表)測出相應(yīng)的實(shí)際流量(這應(yīng)視作進(jìn)入氣路的正確流量),用壓差計(jì)同時(shí)測出調(diào)節(jié)閥兩端的壓力差,從而確定轉(zhuǎn)子流量計(jì)的實(shí)際入口氣壓。設(shè)環(huán)境氣壓等于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,而流量計(jì)入口氣壓等于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101.3kPa)減去調(diào)節(jié)閥兩端的壓差。表1列出了一組觀測值。
由表1可見,調(diào)節(jié)閥門置于轉(zhuǎn)子流量計(jì)的入口端,因給流量計(jì)造成了抽氣負(fù)壓,使流量計(jì)入口氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,其指示值與煤氣表測得的實(shí)際流量相比總是偏高,偏高多少與閥門的開合程度(實(shí)際是氣路阻力大小)引起的抽氣負(fù)壓大小有關(guān)。閥門關(guān)得越小,引起得抽氣負(fù)壓越大,偏高的比例越大。當(dāng)用式(2)修正后就與煤氣表的測定值在誤差范圍內(nèi)一致了。
必須注意的是,式(2)與式(1)表面上看很相似,其實(shí)在根號(hào)中分?jǐn)?shù)線上下的有關(guān)氣壓、溫度是顛倒的。這兩個(gè)公式是有區(qū)別的,又是相聯(lián)系的,式(2)可從式(1)導(dǎo)出如下:
首先應(yīng)明確,通常所謂氣體流量都是體積流量(單位時(shí)間流過的氣體體積),而非質(zhì)量流量(單位時(shí)間流過的氣體質(zhì)量)。氣體體積是隨氣壓和溫度的變化而變化的。在使用條件下,人們通常關(guān)心的是當(dāng)?shù)貧鈮�、溫度下的體積或體積流量即使用條件下的真實(shí)流量。結(jié)合到圖1的情況,人們關(guān)心的是環(huán)境氣壓、溫度下的體積流量,而非流量計(jì)入口負(fù)壓下的體積流量。
將式(1)應(yīng)用于圖1的情況,可得到流量計(jì)在有入口負(fù)壓(相當(dāng)于入口氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)下的入口體積流量Qλ。對Qλ可類似寫成:
將式(3)代入式(5),即得到式(2)。
用表1第一列為例,可用數(shù)字表達(dá)上述關(guān)系。入口氣壓為91.4kPa下的流量計(jì)指示流量為108.0Lmin,對應(yīng)此負(fù)壓下的體積流量,可按式(3)計(jì)算得:
即為表1中修正后的流量值�？梢�,在氣路中轉(zhuǎn)子流量計(jì)入口有入口負(fù)壓的情況下,用式(2)可直接對流量讀數(shù)值修正得到真實(shí)流量值。
以上說明了轉(zhuǎn)子流量計(jì)的氣壓效應(yīng)的表現(xiàn)與規(guī)律,由此提出在使用中針對氣壓效應(yīng)如何獲得真實(shí)流量值的一些方法和注意事項(xiàng)。
3氣體采樣測量中的注意事項(xiàng)
3.1避免流量計(jì)入口負(fù)壓
將圖1中的采樣裝置和流量調(diào)節(jié)閥放在流量計(jì)出口端的下游將會(huì)避免產(chǎn)生入口負(fù)壓。
當(dāng)有些采樣對象(如氣溶膠、氡子體等)會(huì)在流量計(jì)中沉積或污染流量計(jì)影響采樣時(shí),采樣裝置只能放在流量計(jì)的上游。這樣流量計(jì)的指示值與實(shí)際流量必然會(huì)有誤差。這種誤差有多大視入口負(fù)壓而定,入口負(fù)壓越大,流量計(jì)指示值就偏高的誤差越大。
3.2穩(wěn)定脈動(dòng)氣流
用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量氣體采樣流量時(shí)對氣流的要求是均勻而穩(wěn)定,若是脈動(dòng)氣流,轉(zhuǎn)子流量計(jì)指示值總是偏高于實(shí)際流量值,其偏高的誤差有時(shí)可達(dá)40%[2]。造成脈動(dòng)氣流主要是抽氣泵(取樣泵)的性能。此外,還可在采樣氣路中采取穩(wěn)流措施,例如在采樣氣路中串接緩沖器等,使得脈動(dòng)氣流變?yōu)榉�(wěn)定氣流。
這里推薦一個(gè)好方法,在轉(zhuǎn)子流量計(jì)的出口端串接一個(gè)過濾器,里面的慮膜能增加氣路中氣流的阻力,較好地將脈動(dòng)氣流變?yōu)榉�(wěn)定氣流。
在用皂膜流量計(jì)校準(zhǔn)轉(zhuǎn)子流量計(jì)中,對在氣路中串接和未串接過濾器進(jìn)行比較,結(jié)果見表2。
表2可見,使用了過濾器降低了轉(zhuǎn)子流量計(jì)偏高指示誤差,說明過濾器起到了穩(wěn)流作用,提高了校準(zhǔn)精度。
3.3修正流量值
使用時(shí)測量環(huán)境氣壓和流量計(jì)入口氣壓,根據(jù)式(1)和(2)計(jì)算修正,這是得到真實(shí)流量值最好的辦法。
4結(jié)語
轉(zhuǎn)子流量計(jì)廣泛用于氣體采樣測量。在轉(zhuǎn)子流量計(jì)刻度或檢驗(yàn)時(shí)的條件是氣流穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和標(biāo)準(zhǔn)溫度,而在使用時(shí)卻不能保證,因而對讀數(shù)值進(jìn)行修正是必然的。轉(zhuǎn)子流量計(jì)在非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)使用條件下用式(1)對其讀數(shù)值修正可得到真實(shí)流量值,對于流量計(jì)入口有負(fù)壓時(shí)則用式(2)對其讀數(shù)值修正可得到真實(shí)流量值。在采樣過程中,使用穩(wěn)流措施是必要的,并且選擇脈動(dòng)氣流小的抽氣泵和負(fù)載能力強(qiáng)的泵電源,也可降低脈動(dòng)氣流,能保證轉(zhuǎn)子流量計(jì)在氣體采樣測量中的精度。
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