摘要
转子流量计用于气体采样测量,其指示值与实际流量因气压、温度的不同会有一定的误差,对流量计的指示值进行修正后才能得到真实流量值。本文介绍了转子流量计指示值在非标准大气压和抽气中在流量计入口处出现负压时两种情况下的修正方法,以及气体采样测量中的注意事项。转子流量计用于气体采样测量中应注意的问题
1引言
转子流量计是测定气体流量(即流率)的常用计量器具,在使用中其读数值不一定等于实际的流量值。从转子流量计的读数获得正确流量值有一定条件,一个合格流量计的刻度是在标准状态下得到的,与标准状态不同的使用条件需要对读数进行修正,关于影响读数修正的使用条件以及怎样才能获得正确流量值是本文阐述的内容。这个问题似乎是老生常谈,但对某些进行放射性气体或气溶胶的采样测量的工作者却时有模糊,有待注意和澄清。
转子流量计工作时,转子(也称为浮子)受到两个力的作用:一是垂直向上的推动力,它等于流体流经转子与锥管间的环形截面形成的压力差所产生的浮力;另一是转子本身垂直向下的净重力。当压力差与转子的净重力相等时,转子处于平衡状态,即停留在一定位置上,转子停留的高度就反映了流量的大小。问题是这停留高度与流量大小两者之间的对应关系还与一系列条件(气压、温度、流体状态等)有关,本文就这些方面分别介绍。
2转子流量计的气压(温度)效应
转子流量计的刻度示值是在标准状态(101.3kPa,293K)下得出的,当用于非标准状态时使用条件下的真实流量值与读数值是不同的,有以下关系[1]:
式中,QS为使用条件下的真实流量值;QN为流量计读数(按流量计在标准条件下刻度的示值读出的);PN,PS分别为标准状态和使用条件的绝对气压;TN,TS分别为标准状态和使用条件的绝对温度。
例如:在乌鲁木齐,当转子流量计用于气压约为92.3kPa、气温293K条件下,若QN=0.85Lmin,则由式(1)得QS=0.89Lmin,真实流量值大于其读数值。
在我国内地,气压一般与标准状态相近(PS≈PN,TS≈TN),此项修正问题不大。但在气体采样中如果流量计上游连接有过滤器或调节阀门,有可能使流量计入口气压显著降低,这是气体采样测量中常出现的问题,不可忽视。这种情况下,气体真实流量值则按下式计算:
式中,QS为使用条件下的真实流量值;QS为流量计读数;PN、Pλ分别为标准状态和流量计入口的绝对气压;TN、Tλ分别为标准状态和流量计入口的绝对温度。情况是否确实如此,下面用一实例[2]予以说明。
图1所示的气流回路可定量观测入口抽气负压对流量计指示值引起的测量误差。在流量计入口端装一只调节阀门,启动抽气泵抽气,用调节阀把转子流量计调到不同的指示值,用串接在气路入口的煤气表(或其他不受压力影响的气动仪表)测出相应的实际流量(这应视作进入气路的正确流量),用压差计同时测出调节阀两端的压力差,从而确定转子流量计的实际入口气压。设环境气压等于标准大气压,而流量计入口气压等于标准大气压(101.3kPa)减去调节阀两端的压差。表1列出了一组观测值。
由表1可见,调节阀门置于转子流量计的入口端,因给流量计造成了抽气负压,使流量计入口气压低于标准大气压,其指示值与煤气表测得的实际流量相比总是偏高,偏高多少与阀门的开合程度(实际是气路阻力大小)引起的抽气负压大小有关。阀门关得越小,引起得抽气负压越大,偏高的比例越大。当用式(2)修正后就与煤气表的测定值在误差范围内一致了。
必须注意的是,式(2)与式(1)表面上看很相似,其实在根号中分数线上下的有关气压、温度是颠倒的。这两个公式是有区别的,又是相联系的,式(2)可从式(1)导出如下:
首先应明确,通常所谓气体流量都是体积流量(单位时间流过的气体体积),而非质量流量(单位时间流过的气体质量)。气体体积是随气压和温度的变化而变化的。在使用条件下,人们通常关心的是当地气压、温度下的体积或体积流量即使用条件下的真实流量。结合到图1的情况,人们关心的是环境气压、温度下的体积流量,而非流量计入口负压下的体积流量。
将式(1)应用于图1的情况,可得到流量计在有入口负压(相当于入口气压低于标准大气压)下的入口体积流量Qλ。对Qλ可类似写成:
将式(3)代入式(5),即得到式(2)。
用表1第一列为例,可用数字表达上述关系。入口气压为91.4kPa下的流量计指示流量为108.0Lmin,对应此负压下的体积流量,可按式(3)计算得:
即为表1中修正后的流量值。可见,在气路中转子流量计入口有入口负压的情况下,用式(2)可直接对流量读数值修正得到真实流量值。
以上说明了转子流量计的气压效应的表现与规律,由此提出在使用中针对气压效应如何获得真实流量值的一些方法和注意事项。
3气体采样测量中的注意事项
3.1避免流量计入口负压
将图1中的采样装置和流量调节阀放在流量计出口端的下游将会避免产生入口负压。
当有些采样对象(如气溶胶、氡子体等)会在流量计中沉积或污染流量计影响采样时,采样装置只能放在流量计的上游。这样流量计的指示值与实际流量必然会有误差。这种误差有多大视入口负压而定,入口负压越大,流量计指示值就偏高的误差越大。
3.2稳定脉动气流
用转子流量计测量气体采样流量时对气流的要求是均匀而稳定,若是脉动气流,转子流量计指示值总是偏高于实际流量值,其偏高的误差有时可达40%[2]。造成脉动气流主要是抽气泵(取样泵)的性能。此外,还可在采样气路中采取稳流措施,例如在采样气路中串接缓冲器等,使得脉动气流变为稳定气流。
这里推荐一个好方法,在转子流量计的出口端串接一个过滤器,里面的虑膜能增加气路中气流的阻力,较好地将脉动气流变为稳定气流。
在用皂膜流量计校准转子流量计中,对在气路中串接和未串接过滤器进行比较,结果见表2。
表2可见,使用了过滤器降低了转子流量计偏高指示误差,说明过滤器起到了稳流作用,提高了校准精度。
3.3修正流量值
使用时测量环境气压和流量计入口气压,根据式(1)和(2)计算修正,这是得到真实流量值最好的办法。
4结语
转子流量计广泛用于气体采样测量。在转子流量计刻度或检验时的条件是气流稳定、标准大气压和标准温度,而在使用时却不能保证,因而对读数值进行修正是必然的。转子流量计在非标准状态使用条件下用式(1)对其读数值修正可得到真实流量值,对于流量计入口有负压时则用式(2)对其读数值修正可得到真实流量值。在采样过程中,使用稳流措施是必要的,并且选择脉动气流小的抽气泵和负载能力强的泵电源,也可降低脉动气流,能保证转子流量计在气体采样测量中的准确性。
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