多量程气体流量计

第 “卷 第 ”期 仪 器 仪 表 学 报 � � ! 年 ∀ 月 # ∃ %& ∋ (∋ )∗ + , &人− ∗ . (# %∋ & / 0. %# %& (/ , + 1∋ & / 2 ∗ 3 4 5 + 64 7 袍 7 � � ∀ ! 多量程气体流盆计 ’ 陈永盛 张 唯 8东北林学院 9 8哈尔滨船舶工程学院 9 一 、 引 言 目前在实验室和野外测试气体流量中 , 通常采用玻璃转子流量计 。 这种流量计测试范围 小 、 最小检测量较大 , 不能满足大范围和微小流量准确测试的需要。 热式质量流量计有所提 高 8上 、 下限流量比值达 � :: , 最小检测量为 。4 :; 升< 小时9 , 但成本高昂 , 难于普及应 用。 本文介绍的流量计利用压差式流量计灵敏度高的特点 , 克服压差指示液易冲出的弊病 , 采用多根节流管并联组合 , 设计组装具有多量程 8段9 的气体流量计 。 测试表明上、 下 限流量的比值达 ! : :。。以上 , 最小检测量为 : 4 :: 升< 小时。 这种流量计结构简单 , 可以根据 需要用实验室常用材料装配。 二 、 工作原理 如图 � 所示 , 将单根节流管串联在气体管路上 , 测试时气体是作为一维定常流动的 , 连 续方程为= > 8? 犷5 9 > ≅ Α Β 即 ?犷5 Α 常数 8 � 9 式中 ?—管路内气体密度 , 犷—气体流速 , 5—管路横截面积 , ≅—时间。 气体在管路内流动的马赫数一般较低 , 并可忽略流动中的热交换 , 则可将 8 3 9 式写为 = 北刀誉 Χ Χ 成少 兀Δ 苦Χ Χ犷5 一 常数 或 Ε Α Φ石厂犷贾一履一 厂 , “ 几护厂 , 式中 Β—气体的容积流量 8文中以下称流量 9 Γ Δ = 、 Δ Η 、 >截面 、 节流管的内径 , 犷 = 、 犷。 、 犷 。—分别为 。一 、 节流管 、气体在节流管两端的压力差 △? 可表示为〔3 〕、 〔! 〕= 本文于� � ∀ �年 ∀ 月收到 。 —分别为 “ 一 “Ι 一 Ι 处的流速 。 8 ! 9 截面、 Ι一; 仪 器 仪 表 学 报 ‘, Α 8‘于= = 9器 8 7 9 式中 ϑ—节流管内沿程损失系数 , 3 、 >—分别为节流管的长度 和 内径 , 艺七—局部损失系数之和 , 6—重力加速度 。 当 % < > 足够大时 艺七可 以忽略, 则 =Χ 二 > , , , Κ Η夕△户 �“名 Χ ,一Ε ” Λ了 4 厂 , “ 3了石了而丁丽) “ ‘ Μ ” 8 Ν 9 ϑ 与雷诺数有关 , 如果管路尺寸一定 , 二者无关或影响很小时 , 可以认为 Ο 近似为常数〔� 〕、 〔! 〕, 故 △? 反映流量 Ε 的大小 。 图 � 可见 , △?使内管液柱下降 , 产生位差 Π , 并与压差指 示液的重度 丫有关 , 即 △Θ Α ΡΠ 8 9 当 % 、 > 、 Ρ 一定时 , Ε值由 Π 决定 , 其变动范围受 Π 可能显示的距离的限制 。 由于流 量计上这一距离不宜过长 , 只有单根节流管的流量计测量范围不可能很大 。 根据 ∃ Σ6 # Τ 等人对管内层流分析〔� 〕、 〔7 〕, 可得 = △, Α 7 ! 。去 = 。 8 ; 9 式中 扛—温度为 / 时气体的动力粘性系数。 由 8 ; 9 式可导出 = Ε 二— 犷二 Α 二二二, , 一Ν � 艺匕 卜 > ‘ 丁△? 8 Υ 9 8 Υ 9 式表明 △? 8即 Π 9 限定时 , Ε 与 > ,< % 成比例 , 加大 > 能提高Β 值的上限 , 但这种 情 况下测试小Ε值时 , 因 Π 8△力 很小则取值的误差可能很大。 只有采用 > 值小的节流管才 能 提高小 Ε 值的测试精度。 采用多根节流管并联组合方案 , 制成具有多个量程段的流量计 , 可 以在很大范围内准确测定任意流量。 工作原理如图 ! 所示。 >>> . 444 份份一一 �一套管 · 、 !一内管 7一节流管 Ν一压差指示液 ))))) 图 � �犷单根节流管气体流量计工作原理 图 ! 多量程流量计工作原理 多量程流量计如果有 ”根节流管同时工作 , 因并联则各管的 △? 相等 , 管路中气体的=总 流量应是各工作节流管流量之和〔� 〕, 即= 第 7 期 多量程气体流量计 口 Α 艺 Ε ‘二 万 ς 斌下万 二 斌仄万 艺 ς � � � 8 ∀ 9 式中 Ε ‘表示第 ‘根节流管的流量 , △Θ 及 3 一定时 , Ε ‘主要决定于节流管的内径 氏。 如果 。 根节流管内径各不相同, 则可以有 ! ” 一 � 个组合 8数学组合9 , 即有 ! ” 一 � 个流量 组 , 当 然一些组在流量上会出现重复部分 。 通过选择节流管的内径 , 并适当地组合 , 便可以从中选 取由 � 至 。 根节流管组成并在量程上衔接的某些组合 8工作组合9 , 构成流量计的总测 量 范 围。 显然 , 这个范围的下限是内径最小的节流管单根工作时内管液面差 Π 的 最 小 取 值 8如 : 4 厘米 9 所对应的流量 , 而上限则是 Τ 根节流管并联工作时达到 Π 最大取值 所 对 应 的 流 量 。 三 、 结构和装配 图 7 、 图 Ν 是两种构型的多量程流量计 。 仪表压差指示部分由套在一起的两支玻璃管构 成 , 根据内管液柱下降距离获取压差读数 , 工作时压差指示液不会冲出。 流量计正背两面的 构件固定在胶合板上 8ς 一7 型板面为 � 厘米 0 ! 厘米 9 。 使用的量程段由三通活塞 调 控。 为了标定和使用方便 , 三通活塞塞翼横向通气一侧应作永久性标记 , 并编制流量组 、 塞向与 节流管组合的关系 , 如表 � 。 该表经标定可只保留工作组合 , 并将其固定在板面上 。 压差指 示液采用液体石蜡为佳 8性质稳定 , 不与空气及其它介质反应 9 。 使 用时 , 用套管下端活塞调 准液位零点。 蜘蜘蜘蜘蜘蜘八八八八八 99999ΩΩΩ笋笋笋母咖咖 5 一正面 Ξ一背面 �一三通活塞 !一带有活塞的套管 7一内管 图 Ν ς 一 7型气体流量计 Ν一压差标尺 一并联节流管 图 7 Ο 一 !型气体流量计 仪 器 仪 表 学 报 第 7 卷 表 , ς 一!型流≅ 计流4 组、 塞向与节流甘组合 流流 扭 组组 塞 向向 节流管组合合 Ω 流 量 组组 塞 向向 节流管组合合 ����� 呻 ΦΦΦ �� ⋯ ”” � 卜卜 十!!∀∀∀∀∀ , # � ∃ ‘‘ % &。。 � 峨峨 ∋ 十!!((((( ) ∃ � ∃ , 尸尸 ∋∋ % &∗∗∗ 卜 ��� � + 十,,−−−−− ‘ 卜卜 !! % &∀∀∀ � 月月 十 ∋ + !!..... 卜 ‘‘ � 十 / &((( 弓 诵诵 , 十! + ��00000 闷 ��� � 十 ∋∋ / &‘‘ 卜 卜卜 ! 十 � 十 11111 , 卜卜 � 十!! & &... 卜 礴礴 � 十 十 ∋ 十!!22222 � 口 ∃ � ∃ ))) 十 ∋∋ %%%%%%% 四 、 标定和校正 多量程流量计测试很低流量时可用气泡计数法作标定〔− 〕, 其它流量可以选用匀速抽气 3进气 4 法和皂膜计法作标定〔− 〕。 标定时选出量程衔接的工作流量组 , 并绘制多量程 工 作 曲线 , 如图 . 。 厘米1 川川川 液柱下降 介质 5 空气 温度 5 &0℃ 图 6 7 一∀型 8 号流量计多量程工作曲线 标定结果表明 , 流量计上每增加两根更大内径的节流管 , 上、 下限流量的比值可扩大十 几倍至几十倍 , 下限流量越低扩大倍数越大。 标定时可根据需要选取调换节流管。 例如 7 一∀ 型 9 号流量计的测量范围是 : ∃ :2 一∀∀ : ∃ 0 升;小时 3内管液柱下降 : ∃ . 厘米作为下限取值4 , 该 流量计与 9 一∀型 8 号只有节流管规格不同 。 流量计标定时需记录介质及其温度 , 如果介质的动力粘性系数随温度变化较大时 , 则应 按下式对标定流量作校正 5 第 7 期 多量程气体流量计 Ε ‘ 二 Ε ‘合 8� 9 式中 Ε 尸—校正后流量 , Β 。—标定流量 , 卜‘、 卜‘—分别为标定时介质温度及测 试 时介质温度所对应的动力粘性系数。 件值随温度的变化可从实验曲线上查得〔� 〕, 也可按下式 近似计算〔! 〕= < / Ψ‘· ‘ ! Υ 7 Ζ Ο 卜 Α 卜。 3 #(二二, , 3 一Λ 二, Φ Λ Λ 二二Λ一 Ψ! Υ 7 < 了’ Ζ Ο 8� : 9 式中 Ο 为常数 , 介质是空气时 协。 Α [ 4 Υ 33 0 3∗” 牛顿 · 秒< 米名 , Ο Α � !! ∴ 。 压差指示液 重 度随温度变化较大时 , 还需按下式对流量再行校正 = Χ Φ 。 丫Ε Α 叼 产—丫‘ 8� � 9 式中 Ρ。、 丫—分别为标定温度及使用温度下压差指示液的重度 。 丫值随温度的变化可从实验曲线查出。 五、 结 语 多量程气体流量计具有测试流量范围大 、 最小检测量小、 可以测量包括腐蚀性气体在内 的多种气体的流量 , 以及装配使用方便等优点。 测试时 , 可获得比现有流量计精确一个数量 级的测试结果 8以图 为例 , 如令 % 、 Τ 两组同时节流 , 液柱下降 厘米时的准确流量应为 。· :; ; Ζ 。· ∀; Α : 4 �! ;升 <小时9 。 其精确度与节流管的内径 、 根数及组合有关 。 今 考 文 献 〔� 〕 , ∗ Ι# Κ ≅ − 4 Δ Σ + 6 Π # Κ ≅] Σ Τ > )∗ ( # ? Ι Ξ 4 .Κ Σ Τ ⊥ [Τ [, . 3+ [> 1 # # Π Σ Τ [# ( _ [≅ Π ∋ Τ ‘[ Τ # # Κ [Τ 6 ≅[∗ Τ ( , 8� � Υ Υ 9 , � � 一 � � Υ 一� � ∀ 一 ! 7 ∀ 一! 7 � 〔! 〕 西北工业大学等三院校合编 , 气体 动力学基础 , 国防工业 出版社 , 8� � ∀ : 9 , !� Ν一! � ∀ , 7 : 7 , 〔7 〕 Θ 4 Δ 4 1 # Ο ∗ Κ⎯ Σ # α Σ Τ > − Σ _ Κ# Τ ς # Ο Κ Σ Τ # , ΘΠ ] ([ #Σ 3 . 3+ [> Δ ] Τ Σ ⎯ [# ( , 5 # Σ > # ⎯ [# Θ Κ# (( � � Φ � ;� 〔Ν 〕 陈永盛 , 东北林学 院学报 , 7 , 8� � : 9 , �7 ΝΦ � Ν � 5 ? ? 3[# Σ Λ , 8� � Υ 7 9 , 7 7; 仪 器 仪 表 学 报 第 7 卷 1+ 3≅[ΚΣ Τ 6 # β Σ ( .3∗ _ 1 # ≅# Κ Ο Π# Τ , Ρ ∗ Τ 6 一 ( Π# Τ 6 Ο Π Σ Τ 6 , χ # [ 8& ∗ Κ ≅Π一 ∋ Σ ( ≅# Κ Τ Ο ∗ ⊥ ⊥# 夕# ∗ ϑ . ∗ Κ # ( ≅Κ 夕9 8∃ Σ # Κ Ι [, δ Π‘ΘΙ +‘3> ‘, 夕 ∋ , 夕[Τ # # Κ ‘。夕 % , ( ≅‘≅∗ ≅# 9 5Ξδ/ , 5Ο / = / Π# 1 + 3≅ [ Κ Σ Τ 6 # β Σ ( . 3∗ _ 1 # ≅ # Κ � > # ( [6 Τ # > ≅ ∗ ⎯ # # ≅ ≅Π # Τ # # > ( ∗ ϑ Ι # [Τ 6 Σ Ι 3# ≅ ∗ ⎯ # Σ ( + Κ # Σ Τ ] Σ ⎯ ∗ + Τ ≅ ∗ ϑ 6 Σ ( ϑ3∗ _ [ Τ Σ Μ # Κ ] _ [> # Κ Σ Τ 6 # Σ # # + Κ Σ ≅ # 3] 4 %≅ + ( # ( ( # Μ # Κ Σ 3 ≅Π Κ ∗ ≅ ≅3# ≅ + Ι # ( _ [≅Π ≅Π # > [ϑϑ# Κ # Τ ≅ [ Τ Τ # Κ > [Σ ⎯ # ≅ # Κ Σ Τ > ? 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