一種真空狀態下∏的氣體流量測量新方法

2012-04-23 董登峰 北京航空航天大學儀器科學與脸上出了意外还略带点委屈光電工程學院

  當空氣絕對壓力小於40 kPa 時, 目前尚無簡便有╳效的氣流質量流量測量手段, 為此本文設計了一套新穎的流量標定裝置, 並提出一種了流量測▲量方法。在流量調△節過程中, 調節閥必不可少。真空狀態下, 流經調節閥的流量幾乎完全由閥前、後壓力、氣流溫度四個變量決定。本文由流量標♀定裝置獲取有效的數據樣本, 基於多元非線性回歸方法建立了流量與四者的關系表達式。一定範圍內只要測定四個變量, 則≡能直接計算出相應流量。實★驗結果表明計算值與實測流量偏差小於3.0%。

  真空氣體流量的測量常見於需要真空『氣流的過程, 如寬範圍濕度的發生過程, 卷煙的生產過程及大氣環境的模擬過程等。在大氣環境模擬過双腿直直程中, 動▲態真空實驗箱內真空環境的更新速度, 是衡量實驗箱性能的一個重要指標∮。為控制動態真空實驗箱內真空環境的更新速度, 必須實時測量真空狀態下的氣體流量。真空狀態下, 氣體流量的測量具有≡如下特點 :

  (1) 流量密度小↑, 限制了渦街流量計與超聲〓流量計的正常使用。對於前者相應的氣流推事情要发生力過小,對於後者則會產生阻抗匹配的困難。

  (2) 不允許引入明顯的壓力損失。真空管道上安裝流量計後增大了阻力, 產生較大的壓損將使動←力損耗大大增加, 不利於節能。因而孔板流量計、渦輪流量計、容積式流量計等均不適用。

  (3) 流量計在⊙負壓管道上安裝後, 如果存在泄漏很☆難覺察, 不僅會浪費動力, 而且會嚴重破壞內部氣體環境。

  綜上雖然當前關於氣體流量測量的方法多種多时候樣, 但是基於這些方法設計的流量計一般僅針對非真空〒( > 100 kPa) 或真空度不高的情№形。當氣流絕對壓力小於40 kPa 時, 當前市場上在售的流量毕竟自己在这度过了一段休闲計基本上都無法滿足測量要求。在流量調節過程@ 中, 調節閥必不可少⌒。真空狀態下, 氣體通過調節閥的流量主要取決╱於四個因素, 閥前壓力、閥後壓力、流量系數、氣流溫度。利用調節閥的節流特點, 如果建立起流量與四者的關系模型, 調節閥本身即可以充當流√量計, 那麽通過測定上述◆四者的量值, 就可以間接確定真空狀態下的流量。但在建立模型時由於真空狀態( < 40 kPa) 下沒有合適的流量計能夠進行流量測量和◢標定, 所以無法確↘定流量值。為此本文基於動態平★衡原理設計了一套新穎的流量標定系◢統,獲取了可靠的數據樣话梅山药本; 然後利用多元非線性回歸方法與Gauss-Newton 算法對數據進行建模付了钱, 確立了流量與四個∞變量的關系表達式; 基於此表▲達式只需測定四個變量便能直接計算出相應的流量。

1、 調節閥的節流特性

  如圖1 所示, 調節閥具有節流特性, 流經調節閥的流量可由式(1) 計算得到

  式中,N為考慮到具體單位的數值▃常量;Kv為調節☉閥固有流量系數;p1為閥↓前壓力,p2為閥後壓力;X為壓差比;M為氣體的分子量;T為氣流溫度;Z為壓縮因Ψ子,在真空狀態下,其值接近為1;Fk為氣體比熱系數,對於空氣Fk=1;Xt為臨界壓差比,主要取決於閥體的結構。對於可壓縮流體ξ 的流動有阻塞流和非阻塞流●兩種情形,其判別標準【為:若(p1-p2)/p1

  從式(1)可知流量的大小主要取決於☉閥門與流體的物理特性,而且當閥門開度O發生變「化時,Kv值也會相◇應改變。因而〒流量與閥門開度O、閥門上遊壓力p1、下遊壓力p2、氣流溫度T的綜合函數關系可以表话感到疑惑達為

  由式(2)可知,如果能夠獲知◣流量與四個變量的關系模型,那麽︼就可以通過測量四個變量計算出相應的實際流量。確定關系模型的☆首要前提是采取一定的方⌒法獲得有關流量與四個變量的有效數據樣本。

2、基於動態平衡的流量標定方法

  當絕壓小於40 kPa時,目前ζ沒有合適的流量計直接進行空氣∩流量標定,即式(2)中已知p1,p2,T,O無法測得準確的輸出值Q,故難以對樣本進行有效收集,為解決這一問題本文設計∞了一套流量標定系統,其結構如圖2所示。利ω 用該系統調節閥V1為任一開度時均能夠實現★對容腔C1、C2內真空氣流壓力的獨立控制。當C1、C2內真空壓力到達穩態,系統幹路流量處處相等[5]。

  由圖2知流量計安◆裝在C0與C1之間。控制閥V0、V3安裝在C1的上遊,調節C1內的氣流場∞壓力;控制閥V2、V4安裝在C2的下遊,調節C2內的氣→流場壓力;控制閥V1充當流量計,在一次流量測定過程中其開度保持不變。假定p0,p1,p2,p3分別為↙壓力容腔C0,C1,C2,C3內的氣流場壓力。因p0為穩定的氣源壓力,其在實驗過♀程中始終保持不變。考慮到p1,p2為真空,將p0設定約為100 kPa,從而滿足常規流量計使用條件。當p0,p1,p2,p3均不再變难道你不是来找乐子化,整個系統進入動態平衡,流經V1與F1的流」量相等,則Ψ流量計的讀數即為氣體流經調節閥V1的流量值。流量標定系統的實物裝置如圖∞3所示。

  基於上述標定没有停顿系統,實驗時氣流溫度約20℃,並基本保持不變㊣ 。試驗獲得66個樣本,其中60個用於表達式系數的回歸分↙析,其█余用作檢驗回歸效果。用於非線性回歸的樣本數據列於表【1中。