噴嘴流量計_長頸噴嘴流量計應用

        測量機械真空泵流量的儀器種類繁多，有渦輪流量計、渦街流量計、轉子流量計、質量流量計、孔板流量計、噴嘴流量計和滴管流量計等等，真空行業中常用的是后面幾種。轉子流量計存在精度低、讀數不夠穩定等缺點，不宜作測量儀表。但由于價格低廉、使用方便、讀數直觀并可遠傳，常常被應用于生產流程中的流量顯示。

　　質量流量計精度高、響應速度快、穩定可靠、操作使用方便，因此得到了廣泛的應用。但對真空行業而言，卻存在流導不足的問題。例如目前最大的質量流量計，最大量程已達2000SLM，但連接口徑只有10mm，故適宜于測量壓力氣體的流量；用來測量真空泵則量程只有其額定值的幾分之一，經實際驗證，情況確實如此，所以在真空行業中只能用來測量小流量。

　　孔板流量計曾被廣泛應用于水泵行業，因其體積較大，安裝和使用相對比較麻煩，應用得較少。主要使用在低真空和中、大流量的場合，例如活塞式真空泵、水環式真空泵的測量中。真空行業中使用最廣泛的是滴管流量計和噴嘴流量計，這是二種絕對流量計，只要認真操作，完全可以獲得較高的精度。

　　1噴嘴流量計

　　噴嘴流量計是根據流體動力學中的Laval（拉瓦爾）噴管原理設計的一種絕對流量計，它在噴嘴出口壓力與入口壓力之比等于0.528時，噴嘴中氣流速度達到超音速，通過的氣體流量達到最大值。噴嘴出口壓力繼續降低，上述壓力比將開始小于0.528并繼續下降，氣體流量保持不變。

　　噴嘴的流量按下式計算：

　　噴嘴效率系數，取0.97

　　Pb大氣壓力，1013.25hPa

　　d0噴嘴的孔徑，mm

　　T室溫，K

　　測試時總流量等于各個開啟噴嘴流的算術和：

　　G=Gi

　　述流量的計算還需經換算和校正，如大氣壓力換算、氣體常數換算、噴嘴效率校正和壓力比校正。需要特別指出的是壓力比的校正，當噴嘴出口壓力與入口壓力之比大于0.528之后，噴嘴中的氣流速度開始低于音速，并隨著壓力比的繼續增加，噴嘴中的氣流速度進一步下降，在此狀態下的流量計算已不再遵循公式（1），必需進行壓力比校正。具體計算參見GB/T13930水環真空泵和水環壓縮機氣量測定方法。噴嘴流量計的測試裝置如圖1所示。

　　本噴嘴流量計測試裝置與GB/T13930規定的不同之處在于，各噴嘴中的超音速氣流進入到測試罩后，由于集束效應，氣流不容易均勻混和，壓力穩定性差，按GB/T13930規定的裝置測得的抽速偏差較大；所以我們將測試罩長度加長，L/D=3~4，同時取壓位置從測試罩上移到錐管下面的連接管上。試驗證明這項改進效果顯著，再也沒有出現抽速偏大的現象。

　　實際應用中，噴嘴流量計應盡量避免在3kPa壓力以下使用，因為此時測試罩中真空度較高，使用的都是小噴嘴，從噴嘴中進入的超音速氣流的集束效應更厲害，氣流的均勻性和穩定性更差；再加上小口徑噴嘴的附面層影響也較大，將對抽速的測試產生很大的偏差。測試罩中真空度越高，這個偏差越大。

　　2滴管流量計

　　滴管流量計因其量程寬、結構簡單、操作方便、精度較高，并且是絕對流量計而得到廣泛應用。滴管式流量計一直是國內外真空標準規定的測量真空泵抽速的一種流量計，通過精確計量出滴管不同高度的容積，就能準確測量真空泵的流量，至今仍為國內外有關真空標準所采用。

　　而現階段使用的滴管流量計存在這樣一個突出的缺點：由于毛細管現象的存在，在小直徑玻璃管中液面存在不同程度的壓低值，因此滴管直徑不能過小，也就是不能測量小流量或小流量測得的數據不準確。

　　表1是在同樣狀態下用直徑1.5滴管與直徑5滴管測得的數據比較，如表1所示。

　　表1同樣狀態下用直徑1.5滴管與5滴管測得的數據比較

　　Table1Comparisonofthetestresultsbetweenpipetswithdiameter1.5and5underthesamestate

　　試驗數據表明，滴管內徑1.5mm與5mm相比，小直徑滴管所測得抽速偏小，抽速測量誤差（偏?。┳畲筮_16%以上，如將內徑1.5mm的滴管與12mm內徑滴管相比，測量誤差還要大。因此國外如德國標準就規定滴管的內徑不得小于12mm，這樣就把測量誤差限制在一定范圍內，但這也存在著一個問題，抽速小的真空泵無法用這種方法測量，使滴管流量計在測試小流量方面存在一定的局限性。

　　針對上述問題，我們研究了一種新穎的量程向小流量方向拓展的滴管流量計真空滴管流量計（已申請專利，專利號201120369254.2），它能很好的解決上述問題。

　　3真空滴管式流量計工作原理

　　為了便于說明，我們先從流量計算公式說起，假設測量過程是在等溫條件下進行的。真空泵所抽取的氣體量G是隨時間t的變化而變化的，所以G是t的函數，即G=f（t）（3）

　　由此時間t時，泵所抽取的氣體量為G=f（t）；則在t+t時間后，泵所抽取的氣體量就是G1=f（t+t）。

　　因而，與時間增量t相對應的函數增量，也就是泵所抽取的氣體量的增量，即G=f（t+t）-f（t）

　?。?）所以Gt就是在t時間內，泵所抽取的G氣體量時的平均流量Q。

　　對滴管流量計而言，這個氣體增量G是負增量，所以（2）式應改寫成G=f（t）-f（t+t）

　?。?）則平均流量Q=Gt=f（t）-f（t+t)t

　?。?）因為G=f（t）=VP則G1=f（t+t）=（V-V）（P-P）代入（4）式得Q=VP-（V-V）（P-P）t=PV+VP-VPt

　?。?）式中Q流量

　　P測量開始前滴管內壓力，常規為大氣壓

　　P測量過程中滴管內壓力的變化

　　V測量開始前滴管內油面以上的容積

　　V測量過程中滴管內容積的變化

　　t滴管中油面從零位上升到終位所需時間

　　按常規，滴管式流量計的測量在大氣壓下進行，即P為大氣壓。從滴管式流量計的計算公式中可以看出，在滴管內徑決定以后，滴管式流量計的量程范圍就已確定，唯有滴管內油面上的壓力P能對流量的測量產生影響。如果把滴管內油面上的壓力P從大氣狀態轉變成真空狀態，它的量程就可以通過真空度的調控，來擴大量程范圍，實現向小流量方向拓展的目的。這樣滴管式流量計就變成了真空滴管式流量計，以內徑為15mm的滴管式流量計為例，如滴管內油面上的壓力P從105Pa（大氣壓）降低到5 104Pa，流量將降為原來的一半；壓力再降低到1.3 104Pa，則流量將降為原來的1/5噴嘴流量計_長頸噴嘴流量計應用。

　　4結構組成

　　如何來實現上述所說的油面壓力P的降低呢？我們知道，常規使用的滴管式流量計，包括滴管式流量計、開式油箱、工作液（油）、真空閥門、計時儀。結構如圖2所示。真空滴管式流量計主要由滴管式流量計、超聲波液位變送器（零位和終位）、計時儀、密封油箱、真空閥門A與B、真空調節閥、真空計和輔助真空泵組成。真空滴管式流量計結構原理如圖3所示。

　　滴管式流量計安裝在密封油箱上，并通過真空閥門A與油箱上部連接；滴管中液面上升的二個測量位置設有超聲波液位變送器（零位和終位），它輸出的訊號控制計時儀，記錄液面上升所需時間；超聲波液位變送器（終位）的另一路訊號操控真空閥門A，但它只在滴管中液面上升到終位時，打開真空閥門A，以免滴管中液面上升過高；輔助真空泵通過真空閥門B與油箱上部連接，油箱上部還連接有真空調節閥，通過輔助真空泵對密封油箱的抽氣和真空調節閥的放氣來使密封油箱內的壓力保持一個穩定的動態真空狀態，它的真空度可根據需要調控，這樣，整個流量測量系統均處于真空狀態下；真空計用來測量整個真空滴管式流量計系統的真空度。當然，整個測量系統也可以處在大氣狀態下，這樣，就擴大了流量測量范圍，特別是向小流量方向的拓展。

　　測量時，先打開真空閥門B，啟動輔助真空泵對系統抽氣，并打開真空調節閥，按滴管式流量計量程的需要，調節系統的真空度；關閉真空閥門A，滴管中液面開始上升，到達超聲波液位變送器（零位）處，計時儀開始計時，

　　至滴管中液面上升到超聲波液位變送器（終位）處，計時儀計時結束，真空閥門A自動打開，完成一次測量。

　　5總結

　　真空滴管式流量計具有以下特點：(1)滴管式流量計安裝在密封油箱上，通過輔助真空泵的抽氣和真空（放氣）閥來達到和保持動態穩定的真空，整個流量測量系統均處于真空狀態下，擴大了流量測量范圍，特別是向小流量拓展。而且它的真空度可調控，以此來設置它的不同的流量范圍。

　　(2)整個流量測量系統既可以處于真空狀態下，又可以處在大氣狀態下，擴大了流量測量范圍。

　　(3)當整個流量測量系統處于真空狀態下時，流量測量系統的真空度必須低于103Pa，以保證流量測量工作的正常進行。

　　(4)滴管中液面的上升高度是預先設定的，并通過超聲波液位變送器發出液位訊號；液面上升某高度所需的時間由計時儀記錄，它受液位變送器發出的液位訊號所操控，從而避免了手動計時和眼睛觀察高度所引起的誤差，進一步提高了測試精度。

　　(5)真空滴管式流量計在真空狀態下時，特別適宜于測量小流量。它可用較大直徑滴管來測量小流量，避免了小直徑滴管因毛細管作用引起的流量測試值偏低的情況，使測試更加準確。

　　(6)真空滴管式流量計整個系統處于真空狀態下，工作液（油）不會被灰塵和水蒸氣污染，保證了測量精確度。

　　真空滴管式流量計是最新研究成果，很可能存在考慮不周的地方，望批評指正。