一種真空狀態(tài)下的氣體流量測量新方法

　　當空氣絕對壓力小于40 kPa 時(shí), 目前尚無(wú)簡(jiǎn)便有效的氣流質(zhì)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, 并提出一種了流量測量方法。在流量調節過(guò)程中, 調節閥必不可少。真空狀態(tài)下, 流經(jīng)調節閥的流量幾乎完全由閥前、后壓力、氣流溫度四個(gè)變量決定。本文由流量標定裝置獲取有效的數據樣本, 基于多元非線(xiàn)性回歸方法建立了流量與四者的關(guān)系表達式。一定范圍內只要測定四個(gè)變量, 則能直接計算出相應流量。實(shí)驗結果表明計算值與實(shí)測流量偏差小于3.0%。

　　真空氣體流量的測量常見(jiàn)于需要真空氣流的過(guò)程, 如寬范圍濕度的發(fā)生過(guò)程, 卷煙的生產(chǎn)過(guò)程及大氣環(huán)境的模擬過(guò)程等。在大氣環(huán)境模擬過(guò)程中, 動(dòng)態(tài)真空實(shí)驗箱內真空環(huán)境的更新速度, 是衡量實(shí)驗箱性能的一個(gè)重要指標。為控制動(dòng)態(tài)真空實(shí)驗箱內真空環(huán)境的更新速度, 必須實(shí)時(shí)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(diǎn) :

　　(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。對于前者相應的氣流推力過(guò)小,對于后者則會(huì )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(dòng)力損耗大大增加, 不利于節能。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后, 如果存在泄漏很難覺(jué)察, 不僅會(huì )浪費動(dòng)力, 而且會(huì )嚴重破壞內部氣體環(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(shí), 當前市場(chǎng)上在售的流量計基本上都無(wú)法滿(mǎn)足測量要求。在流量調節過(guò)程中, 調節閥必不可少。真空狀態(tài)下, 氣體通過(guò)調節閥的流量主要取決于四個(gè)因素, 閥前壓力、閥后壓力、流量系數、氣流溫度。利用調節閥的節流特點(diǎn), 如果建立起流量與四者的關(guān)系模型, 調節閥本身即可以充當流量計, 那么通過(guò)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(shí)由于真空狀態(tài)( < 40 kPa) 下沒(méi)有合適的流量計能夠進(jìn)行流量測量和標定, 所以無(wú)法確定流量值。為此本文基于動(dòng)態(tài)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本; 然后利用多元非線(xiàn)性回歸方法與Gauss-Newton 算法對數據進(jìn)行建模, 確立了流量與四個(gè)變量的關(guān)系表達式; 基于此表達式只需測定四個(gè)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(jīng)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,對于空氣Fk=1;Xt為臨界壓差比,主要取決于閥體的結構。對于可壓縮流體的流動(dòng)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(mén)與流體的物理特性,而且當閥門(mén)開(kāi)度O發(fā)生變化時(shí),Kv值也會(huì )相應改變。因而流量與閥門(mén)開(kāi)度O、閥門(mén)上游壓力p1、下游壓力p2、氣流溫度T的綜合函數關(guān)系可以表達為

　　由式(2)可知,如果能夠獲知流量與四個(gè)變量的關(guān)系模型,那么就可以通過(guò)測量四個(gè)變量計算出相應的實(shí)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(gè)變量的有效數據樣本。

2、基于動(dòng)態(tài)平衡的流量標定方法

　　當絕壓小于40 kPa時(shí),目前沒(méi)有合適的流量計直接進(jìn)行空氣流量標定,即式(2)中已知p1,p2,T,O無(wú)法測得準確的輸出值Q,故難以對樣本進(jìn)行有效收集,為解決這一問(wèn)題本文設計了一套流量標定系統,其結構如圖2所示。利用該系統調節閥V1為任一開(kāi)度時(shí)均能夠實(shí)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(tài),系統干路流量處處相等[5]。

　　由圖2知流量計安裝在C0與C1之間�？刂崎yV0、V3安裝在C1的上游,調節C1內的氣流場(chǎng)壓力;控制閥V2、V4安裝在C2的下游,調節C2內的氣流場(chǎng)壓力;控制閥V1充當流量計,在一次流量測定過(guò)程中其開(kāi)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(chǎng)壓力。因p0為穩定的氣源壓力,其在實(shí)驗過(guò)程中始終保持不變�？紤]到p1,p2為真空,將p0設定約為100 kPa,從而滿(mǎn)足常規流量計使用條件。當p0,p1,p2,p3均不再變化,整個(gè)系統進(jìn)入動(dòng)態(tài)平衡,流經(jīng)V1與F1的流量相等,則流量計的讀數即為氣體流經(jīng)調節閥V1的流量值。流量標定系統的實(shí)物裝置如圖3所示。

　　基于上述標定系統,實(shí)驗時(shí)氣流溫度約20℃,并基本保持不變。試驗獲得66個(gè)樣本,其中60個(gè)用于表達式系數的回歸分析,其余用作檢驗回歸效果。用于非線(xiàn)性回歸的樣本數據列于表1中。