一種真空狀態(tài)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光電工程學院

　　當空氣絕對壓力小于40 kPa 時, 目前尚無簡便有效的氣流質(zhì)量流量測量手段, 為此本文設(shè)計了一套新穎的流量標定裝置, 并提出一種了流量測量方法。在流量調(diào)節(jié)過程中, 調(diào)節(jié)閥必不可少。真空狀態(tài)下, 流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量幾乎完全由閥前、后壓力、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(shù)據(jù)樣本, 基于多元非線性回歸方法建立了流量與四者的關(guān)系表達式。一定范圍內(nèi)只要測定四個變量, 則能直接計算出相應(yīng)流量。實驗結(jié)果表明計算值與實測流量偏差小于3.0%。

　　真空氣體流量的測量常見于需要真空氣流的過程, 如寬范圍濕度的發(fā)生過程, 卷煙的生產(chǎn)過程及大氣環(huán)境的模擬過程等。在大氣環(huán)境模擬過程中, 動態(tài)真空實驗箱內(nèi)真空環(huán)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(tài)真空實驗箱內(nèi)真空環(huán)境的更新速度, 必須實時測量真空狀態(tài)下的氣體流量。真空狀態(tài)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。對于前者相應(yīng)的氣流推力過小,對于后者則會產(chǎn)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后增大了阻力, 產(chǎn)生較大的壓損將使動力損耗大大增加, 不利于節(jié)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后, 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(nèi)部氣體環(huán)境。

　　綜上雖然當前關(guān)于氣體流量測量的方法多種多樣, 但是基于這些方法設(shè)計的流量計一般僅針對非真空( > 100 kPa) 或真空度不高的情形。當氣流絕對壓力小于40 kPa 時, 當前市場上在售的流量計基本上都無法滿足測量要求。在流量調(diào)節(jié)過程中, 調(diào)節(jié)閥必不可少。真空狀態(tài)下, 氣體通過調(diào)節(jié)閥的流量主要取決于四個因素, 閥前壓力、閥后壓力、流量系數(shù)、氣流溫度。利用調(diào)節(jié)閥的節(jié)流特點, 如果建立起流量與四者的關(guān)系模型, 調(diào)節(jié)閥本身即可以充當流量計, 那么通過測定上述四者的量值, 就可以間接確定真空狀態(tài)下的流量。但在建立模型時由于真空狀態(tài)( < 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。為此本文基于動態(tài)平衡原理設(shè)計了一套新穎的流量標定系統(tǒng),獲取了可靠的數(shù)據(jù)樣本; 然后利用多元非線性回歸方法與Gauss-Newton 算法對數(shù)據(jù)進行建模, 確立了流量與四個變量的關(guān)系表達式; 基于此表達式只需測定四個變量便能直接計算出相應(yīng)的流量。

1、調(diào)節(jié)閥的節(jié)流特性

　　如圖1 所示, 調(diào)節(jié)閥具有節(jié)流特性, 流經(jīng)調(diào)節(jié)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(shù)值常量;Kv為調(diào)節(jié)閥固有流量系數(shù);p1為閥前壓力,p2為閥后壓力;X為壓差比;M為氣體的分子量;T為氣流溫度;Z為壓縮因子,在真空狀態(tài)下,其值接近為1;Fk為氣體比熱系數(shù),對于空氣Fk=1;Xt為臨界壓差比,主要取決于閥體的結(jié)構(gòu)。對于可壓縮流體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于閥門與流體的物理特性,而且當閥門開度O發(fā)生變化時,Kv值也會相應(yīng)改變。因而流量與閥門開度O、閥門上游壓力p1、下游壓力p2、氣流溫度T的綜合函數(shù)關(guān)系可以表達為

　　由式(2)可知,如果能夠獲知流量與四個變量的關(guān)系模型,那么就可以通過測量四個變量計算出相應(yīng)的實際流量。確定關(guān)系模型的首要前提是采取一定的方法獲得有關(guān)流量與四個變量的有效數(shù)據(jù)樣本。

2、基于動態(tài)平衡的流量標定方法

　　當絕壓小于40 kPa時,目前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(shè)計了一套流量標定系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。利用該系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥V1為任一開度時均能夠?qū)崿F(xiàn)對容腔C1、C2內(nèi)真空氣流壓力的獨立控制。當C1、C2內(nèi)真空壓力到達穩(wěn)態(tài),系統(tǒng)干路流量處處相等[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的上游,調(diào)節(jié)C1內(nèi)的氣流場壓力;控制閥V2、V4安裝在C2的下游,調(diào)節(jié)C2內(nèi)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(nèi)的氣流場壓力。因p0為穩(wěn)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(shè)定約為100 kPa,從而滿足常規(guī)流量計使用條件。當p0,p1,p2,p3均不再變化,整個系統(tǒng)進入動態(tài)平衡,流經(jīng)V1與F1的流量相等,則流量計的讀數(shù)即為氣體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥V1的流量值。流量標定系統(tǒng)的實物裝置如圖3所示。