摘要
轉子流量計用于氣體采樣測量,其指示值與實際流量因氣壓、溫度的不同會有一定的誤差,對流量計的指示值進行修正后才能得到真實流量值。本文介紹了轉子流量計指示值在非標準大氣壓和抽氣中在流量計入口處出現負壓時兩種情況下的修正方法,以及氣體采樣測量中的注意事項。轉子流量計用于氣體采樣測量中應注意的問題
1引言
轉子流量計是測定氣體流量(即流率)的常用計量器具,在使用中其讀數值不一定等于實際的流量值。從轉子流量計的讀數獲得正確流量值有一定條件,一個合格流量計的刻度是在標準狀態下得到的,與標準狀態不同的使用條件需要對讀數進行修正,關于影響讀數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容。這個問題似乎是老生常談,但對某些進行放射性氣體或氣溶膠的采樣測量的工作者卻時有模糊,有待注意和澄清。
轉子流量計工作時,轉子(也稱為浮子)受到兩個力的作用:一是垂直向上的推動力,它等于流體流經轉子與錐管間的環形截面形成的壓力差所產生的浮力;另一是轉子本身垂直向下的凈重力。當壓力差與轉子的凈重力相等時,轉子處于平衡狀態,即停留在一定位置上,轉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關系還與一系列條件(氣壓、溫度、流體狀態等)有關,本文就這些方面分別介紹。
2轉子流量計的氣壓(溫度)效應
轉子流量計的刻度示值是在標準狀態(101.3kPa,293K)下得出的,當用于非標準狀態時使用條件下的真實流量值與讀數值是不同的,有以下關系[1]:
式中,QS為使用條件下的真實流量值;QN為流量計讀數(按流量計在標準條件下刻度的示值讀出的);PN,PS分別為標準狀態和使用條件的絕對氣壓;TN,TS分別為標準狀態和使用條件的絕對溫度。
例如:在烏魯木齊,當轉子流量計用于氣壓約為92.3kPa、氣溫293K條件下,若QN=0.85Lmin,則由式(1)得QS=0.89Lmin,真實流量值大于其讀數值。
在我國內地,氣壓一般與標準狀態相近(PS≈PN,TS≈TN),此項修正問題不大。但在氣體采樣中如果流量計上游連接有過濾器或調節閥門,有可能使流量計入口氣壓顯著降低,這是氣體采樣測量中常出現的問題,不可忽視。這種情況下,氣體真實流量值則按下式計算:
式中,QS為使用條件下的真實流量值;QS為流量計讀數;PN、Pλ分別為標準狀態和流量計入口的絕對氣壓;TN、Tλ分別為標準狀態和流量計入口的絕對溫度。情況是否確實如此,下面用一實例[2]予以說明。
圖1所示的氣流回路可定量觀測入口抽氣負壓對流量計指示值引起的測量誤差。在流量計入口端裝一只調節閥門,啟動抽氣泵抽氣,用調節閥把轉子流量計調到不同的指示值,用串接在氣路入口的煤氣表(或其他不受壓力影響的氣動儀表)測出相應的實際流量(這應視作進入氣路的正確流量),用壓差計同時測出調節閥兩端的壓力差,從而確定轉子流量計的實際入口氣壓。設環境氣壓等于標準大氣壓,而流量計入口氣壓等于標準大氣壓(101.3kPa)減去調節閥兩端的壓差。表1列出了一組觀測值。
由表1可見,調節閥門置于轉子流量計的入口端,因給流量計造成了抽氣負壓,使流量計入口氣壓低于標準大氣壓,其指示值與煤氣表測得的實際流量相比總是偏高,偏高多少與閥門的開合程度(實際是氣路阻力大小)引起的抽氣負壓大小有關。閥門關得越小,引起得抽氣負壓越大,偏高的比例越大。當用式(2)修正后就與煤氣表的測定值在誤差范圍內一致了。
必須注意的是,式(2)與式(1)表面上看很相似,其實在根號中分數線上下的有關氣壓、溫度是顛倒的。這兩個公式是有區別的,又是相聯系的,式(2)可從式(1)導出如下:
首先應明確,通常所謂氣體流量都是體積流量(單位時間流過的氣體體積),而非質量流量(單位時間流過的氣體質量)。氣體體積是隨氣壓和溫度的變化而變化的。在使用條件下,人們通常關心的是當地氣壓、溫度下的體積或體積流量即使用條件下的真實流量。結合到圖1的情況,人們關心的是環境氣壓、溫度下的體積流量,而非流量計入口負壓下的體積流量。
將式(1)應用于圖1的情況,可得到流量計在有入口負壓(相當于入口氣壓低于標準大氣壓)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,可用數字表達上述關系。入口氣壓為91.4kPa下的流量計指示流量為108.0Lmin,對應此負壓下的體積流量,可按式(3)計算得:
即為表1中修正后的流量值。可見,在氣路中轉子流量計入口有入口負壓的情況下,用式(2)可直接對流量讀數值修正得到真實流量值。
以上說明了轉子流量計的氣壓效應的表現與規律,由此提出在使用中針對氣壓效應如何獲得真實流量值的一些方法和注意事項。
3氣體采樣測量中的注意事項
3.1避免流量計入口負壓
將圖1中的采樣裝置和流量調節閥放在流量計出口端的下游將會避免產生入口負壓。
當有些采樣對象(如氣溶膠、氡子體等)會在流量計中沉積或污染流量計影響采樣時,采樣裝置只能放在流量計的上游。這樣流量計的指示值與實際流量必然會有誤差。這種誤差有多大視入口負壓而定,入口負壓越大,流量計指示值就偏高的誤差越大。
3.2穩定脈動氣流
用轉子流量計測量氣體采樣流量時對氣流的要求是均勻而穩定,若是脈動氣流,轉子流量計指示值總是偏高于實際流量值,其偏高的誤差有時可達40%[2]。造成脈動氣流主要是抽氣泵(取樣泵)的性能。此外,還可在采樣氣路中采取穩流措施,例如在采樣氣路中串接緩沖器等,使得脈動氣流變為穩定氣流。
這里推薦一個好方法,在轉子流量計的出口端串接一個過濾器,里面的慮膜能增加氣路中氣流的阻力,較好地將脈動氣流變為穩定氣流。
在用皂膜流量計校準轉子流量計中,對在氣路中串接和未串接過濾器進行比較,結果見表2。
表2可見,使用了過濾器降低了轉子流量計偏高指示誤差,說明過濾器起到了穩流作用,提高了校準精度。
3.3修正流量值
使用時測量環境氣壓和流量計入口氣壓,根據式(1)和(2)計算修正,這是得到真實流量值最好的辦法。
4結語
轉子流量計廣泛用于氣體采樣測量。在轉子流量計刻度或檢驗時的條件是氣流穩定、標準大氣壓和標準溫度,而在使用時卻不能保證,因而對讀數值進行修正是必然的。轉子流量計在非標準狀態使用條件下用式(1)對其讀數值修正可得到真實流量值,對于流量計入口有負壓時則用式(2)對其讀數值修正可得到真實流量值。在采樣過程中,使用穩流措施是必要的,并且選擇脈動氣流小的抽氣泵和負載能力強的泵電源,也可降低脈動氣流,能保證轉子流量計在氣體采樣測量中的精度。
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