一種減小校準(zhǔn)大流量采樣器負(fù)載的方法

蔡澤仁 李學(xué)輝 陳啟悅 / 上海計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

隨著環(huán)境污染問題日益突出，市場上與環(huán)保相關(guān)的儀器，如空氣采樣器、浮游菌采樣器、煙塵煙氣采樣器、煙塵采樣器及總懸浮采樣器等被廣泛應(yīng)用。這些采樣器的采樣流量的準(zhǔn)確與否直接影響最終檢測(cè)結(jié)果。如在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，由于采樣流量的誤差造成的檢測(cè)結(jié)果差異直接影響企業(yè)污染物排放等合格與否?？諝獠蓸悠骷盁煔獠蓸悠髁髁恳话阍?.1～2 L/min，用皂膜流量計(jì)校準(zhǔn)其流量，可確保其數(shù)值準(zhǔn)確可靠。而浮游菌采樣器、煙塵采樣器以及總懸浮采樣器等傳統(tǒng)采樣器，采樣流量較大，通常為10～100 L/min，傳統(tǒng)的質(zhì)量流量計(jì)在測(cè)量大流量（通常是30 L/min以上）時(shí)，由于其本身帶來的負(fù)載壓力比較大，而一般的大流量采樣器的最大承受負(fù)壓有限，導(dǎo)致了采樣器在校準(zhǔn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)流量不能達(dá)到設(shè)定值，從而無法滿足校準(zhǔn)需求的情況[1]。本文采用基于伯努利原理的校準(zhǔn)方法，通過壓差計(jì)測(cè)量全壓和靜壓差得到采樣管路中的動(dòng)壓，可以計(jì)算得出采樣流量[2]。此方法流量測(cè)量結(jié)構(gòu)簡單，參考皮托管風(fēng)速測(cè)量方法，有效減少測(cè)量時(shí)的額外負(fù)載。同時(shí)，壓差計(jì)可以達(dá)到較好的準(zhǔn)確度等級(jí)，誤差以及測(cè)量不確定度較優(yōu)，適合用于大流量空氣采樣器的計(jì)量。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)原理

根據(jù)伯努利原理：流體在沿流線運(yùn)動(dòng)過程中， 流體靜壓、動(dòng)壓、重力勢(shì)能產(chǎn)生的壓強(qiáng)總和保持不變，即總能量守恒。體現(xiàn)在大流量采樣器采樣系統(tǒng)中，采樣流量恒定時(shí)，其內(nèi)部氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)滿足伯努利方程。伯努利公式：

式中 ：p —— 靜壓，Pa；

ρ —— 空氣密度，kg/m3；

v —— 空氣流速，m/s；

g —— 重力加速度，m/s2；

h —— 垂直高度，m ；

C —— 常量，Pa

對(duì)于氣體，可忽略其重力，方程簡化為

對(duì)于大流量采樣器而言，被采樣氣體具有的動(dòng)能與采樣管路中管壁上的靜壓值之和為常數(shù)C。由于大流量采樣器在空載時(shí)負(fù)壓相對(duì)較小，C假設(shè)近似為采樣環(huán)境的大氣壓強(qiáng)。氣體流速與系統(tǒng)動(dòng)壓（即大氣壓強(qiáng)與靜壓之差）成線性關(guān)系。公式簡化為

則流量計(jì)算公式為

式中 ：k —— 流量系數(shù)

根據(jù)皮托管的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在固定尺寸的采樣管道內(nèi)，氣體流速一定時(shí)，管壁上的靜壓值也是固定的。參照皮托管的設(shè)計(jì)，在大流量采樣器采樣口前端串聯(lián)一根固定尺寸的流量穩(wěn)定管，使測(cè)量點(diǎn)與大氣壓強(qiáng)有一定壓差；同時(shí)也起到了使流量更加穩(wěn)定的作用[3-5]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

壓差計(jì)，測(cè)量范圍：-34～34 kPa；質(zhì)量流量計(jì)，測(cè)量范圍 ： 0～100 L/min。

1.3 試驗(yàn)方法

如圖1所示，測(cè)量不同尺寸穩(wěn)定管在對(duì)應(yīng)流量時(shí)的動(dòng)壓，得到對(duì)應(yīng)的流量-動(dòng)壓曲線，統(tǒng)計(jì)出不同尺寸的穩(wěn)定管的流量系數(shù)k。試驗(yàn)中，選用長度為8 cm，內(nèi)徑分別為 4 mm、8 mm 的聚四氟乙烯管作為流量穩(wěn)定管。通過以上方法，可以確定不同尺寸壓力穩(wěn)定管的動(dòng)壓p與流量系數(shù)k。

圖1 伯努利原理動(dòng)壓流量測(cè)量原理

質(zhì)量流量計(jì)校準(zhǔn)大流量空氣采樣器的方法如圖2所示，測(cè)量不同流量情況下質(zhì)量流量計(jì)對(duì)大流量空氣采樣器產(chǎn)生的負(fù)壓，得到一組流量-動(dòng)壓曲線。

圖2 質(zhì)量流量計(jì)負(fù)載測(cè)量原理

2 結(jié)果與討論

2.1 流量穩(wěn)定管測(cè)量的流量-動(dòng)壓數(shù)據(jù)

選用長度為 10 cm，內(nèi)徑分別為 4 mm、8 mm、12 mm的聚四氟乙烯管作為流量穩(wěn)定管，測(cè)量的流量-動(dòng)壓數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同尺寸的流量穩(wěn)定管測(cè)量的流量-動(dòng)壓數(shù)據(jù)

根據(jù)表1可以繪制出流量-動(dòng)壓曲線，如圖3所示。

由圖3可知，實(shí)際測(cè)量中，流量與測(cè)量負(fù)壓的冪指數(shù)為0.567，而理論上流量與測(cè)量負(fù)壓的0.5次方應(yīng)成正比關(guān)系。這是由于測(cè)量系統(tǒng)中有負(fù)載以及泵動(dòng)力源等因素，常量C不為大氣壓。但是通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，流量與測(cè)量負(fù)壓的回歸性較好，用測(cè)量負(fù)壓來表征大流量采樣器流量具有代表性。

圖3 不同尺寸的流量穩(wěn)定管測(cè)量的流量-動(dòng)壓

不同尺寸流量穩(wěn)定管的動(dòng)壓與流量系數(shù)k經(jīng)計(jì)算，如表2所示。

表2 不同尺寸的流量穩(wěn)定管對(duì)應(yīng)的動(dòng)壓與流量系數(shù)k

2.2 質(zhì)量流量計(jì)對(duì)大流量空氣采樣器產(chǎn)生的負(fù)壓

同樣，對(duì)大流量空氣采樣器選取10.0 L/min、20.0 L/min、30.0 L/min、50.0 L/min、60.0 L/min 流量設(shè)定點(diǎn)，測(cè)得的質(zhì)量流量計(jì)對(duì)大流量空氣采樣器產(chǎn)生的負(fù)壓如表3所示。

表3 質(zhì)量流量計(jì)負(fù)載數(shù)據(jù)

與長度為10 cm，內(nèi)徑為8 mm的流量穩(wěn)定管相比較，曲線如圖4所示。

圖4 質(zhì)量流量計(jì)負(fù)載與伯努利原理動(dòng)壓測(cè)量流量負(fù)載比較

由圖4可知，在50 L/min時(shí)，質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量產(chǎn)生的負(fù)壓為1.69 kPa，而用壓差計(jì)直接測(cè)量的壓力僅有0.423 kPa，可以顯著減小測(cè)量系統(tǒng)的負(fù)壓。

3 結(jié)語

通過本研究表明，用壓力乘以系數(shù)表征大流量采樣器流量的方法具有一定可靠性，通過選擇負(fù)壓小的儀器和流量點(diǎn)，和上述方法比較更能證明以上結(jié)果。

通過長度為 10 cm，內(nèi)徑分別為 4 mm、8 mm的聚四氟乙烯管作為流量穩(wěn)定管測(cè)量的流量-動(dòng)壓數(shù)據(jù)可得出動(dòng)壓與流量系數(shù)k，系數(shù)分別為19.8、65.1；通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相比于質(zhì)量流量計(jì)對(duì)大流量空氣采樣器產(chǎn)生的負(fù)壓壓差計(jì)直接測(cè)量引入的負(fù)壓，該方法引入的負(fù)壓顯著減小。也可以用此方法選用適當(dāng)尺寸的流量穩(wěn)定管來模擬大流量空氣采樣器工況下的采樣阻力，以探究大流量空氣采樣器的工作效能。

由于不同管徑以及長度的穩(wěn)定管導(dǎo)致的動(dòng)壓與流量系數(shù)k不同，因此，此方法在流量穩(wěn)定管前端不應(yīng)再接入其他負(fù)載裝置，同時(shí)，此方法不適用于在閉合管路內(nèi)的流量測(cè)量。