喷嘴流量计_长颈喷嘴流量计应用

        测量机械真空泵流量的仪器种类繁多，有涡轮流量计、涡街流量计、转子流量计、质量流量计、孔板流量计、喷嘴流量计和滴管流量计等等，真空行业中常用的是后面几种。转子流量计存在精度低、读数不够稳定等缺点，不宜作测量仪表。但由于价格低廉、使用方便、读数直观并可远传，常常被应用于生产流程中的流量显示。

　　质量流量计精度高、响应速度快、稳定可靠、操作使用方便，因此得到了广泛的应用。但对真空行业而言，却存在流导不足的问题。例如目前最大的质量流量计，最大量程已达2000SLM，但连接口径只有10mm，故适宜于测量压力气体的流量；用来测量真空泵则量程只有其额定值的几分之一，经实际验证，情况确实如此，所以在真空行业中只能用来测量小流量。

　　孔板流量计曾被广泛应用于水泵行业，因其体积较大，安装和使用相对比较麻烦，应用得较少。主要使用在低真空和中、大流量的场合，例如活塞式真空泵、水环式真空泵的测量中。真空行业中使用最广泛的是滴管流量计和喷嘴流量计，这是二种绝对流量计，只要认真操作，完全可以获得较高的精度。

　　1喷嘴流量计

　　喷嘴流量计是根据流体动力学中的Laval（拉瓦尔）喷管原理设计的一种绝对流量计，它在喷嘴出口压力与入口压力之比等于0.528时，喷嘴中气流速度达到超音速，通过的气体流量达到最大值。喷嘴出口压力继续降低，上述压力比将开始小于0.528并继续下降，气体流量保持不变。

　　喷嘴的流量按下式计算：

　　喷嘴效率系数，取0.97

　　Pb大气压力，1013.25hPa

　　d0喷嘴的孔径，mm

　　T室温，K

　　测试时总流量等于各个开启喷嘴流的算术和：

　　G=Gi

　　述流量的计算还需经换算和校正，如大气压力换算、气体常数换算、喷嘴效率校正和压力比校正。需要特别指出的是压力比的校正，当喷嘴出口压力与入口压力之比大于0.528之后，喷嘴中的气流速度开始低于音速，并随着压力比的继续增加，喷嘴中的气流速度进一步下降，在此状态下的流量计算已不再遵循公式（1），必需进行压力比校正。具体计算参见GB/T13930水环真空泵和水环压缩机气量测定方法。喷嘴流量计的测试装置如图1所示。

　　本喷嘴流量计测试装置与GB/T13930规定的不同之处在于，各喷嘴中的超音速气流进入到测试罩后，由于集束效应，气流不容易均匀混和，压力稳定性差，按GB/T13930规定的装置测得的抽速偏差较大；所以我们将测试罩长度加长，L/D=3~4，同时取压位置从测试罩上移到锥管下面的连接管上。试验证明这项改进效果显著，再也没有出现抽速偏大的现象。

　　实际应用中，喷嘴流量计应尽量避免在3kPa压力以下使用，因为此时测试罩中真空度较高，使用的都是小喷嘴，从喷嘴中进入的超音速气流的集束效应更厉害，气流的均匀性和稳定性更差；再加上小口径喷嘴的附面层影响也较大，将对抽速的测试产生很大的偏差。测试罩中真空度越高，这个偏差越大。

　　2滴管流量计

　　滴管流量计因其量程宽、结构简单、操作方便、精度较高，并且是绝对流量计而得到广泛应用。滴管式流量计一直是国内外真空标准规定的测量真空泵抽速的一种流量计，通过精确计量出滴管不同高度的容积，就能准确测量真空泵的流量，至今仍为国内外有关真空标准所采用。

　　而现阶段使用的滴管流量计存在这样一个突出的缺点：由于毛细管现象的存在，在小直径玻璃管中液面存在不同程度的压低值，因此滴管直径不能过小，也就是不能测量小流量或小流量测得的数据不准确。

　　表1是在同样状态下用直径1.5滴管与直径5滴管测得的数据比较，如表1所示。

　　表1同样状态下用直径1.5滴管与5滴管测得的数据比较

　　Table1Comparisonofthetestresultsbetweenpipetswithdiameter1.5and5underthesamestate

　　试验数据表明，滴管内径1.5mm与5mm相比，小直径滴管所测得抽速偏小，抽速测量误差（偏小）最大达16%以上，如将内径1.5mm的滴管与12mm内径滴管相比，测量误差还要大。因此国外如德国标准就规定滴管的内径不得小于12mm，这样就把测量误差限制在一定范围内，但这也存在着一个问题，抽速小的真空泵无法用这种方法测量，使滴管流量计在测试小流量方面存在一定的局限性。

　　针对上述问题，我们研究了一种新颖的量程向小流量方向拓展的滴管流量计真空滴管流量计（已申请专利，专利号201120369254.2），它能很好的解决上述问题。

　　3真空滴管式流量计工作原理

　　为了便于说明，我们先从流量计算公式说起，假设测量过程是在等温条件下进行的。真空泵所抽取的气体量G是随时间t的变化而变化的，所以G是t的函数，即G=f（t）（3）

　　由此时间t时，泵所抽取的气体量为G=f（t）；则在t+t时间后，泵所抽取的气体量就是G1=f（t+t）。

　　因而，与时间增量t相对应的函数增量，也就是泵所抽取的气体量的增量，即G=f（t+t）-f（t）

　　（4）所以Gt就是在t时间内，泵所抽取的G气体量时的平均流量Q。

　　对滴管流量计而言，这个气体增量G是负增量，所以（2）式应改写成G=f（t）-f（t+t）

　　（5）则平均流量Q=Gt=f（t）-f（t+t)t

　　（6）因为G=f（t）=VP则G1=f（t+t）=（V-V）（P-P）代入（4）式得Q=VP-（V-V）（P-P）t=PV+VP-VPt

　　（7）式中Q流量

　　P测量开始前滴管内压力，常规为大气压

　　P测量过程中滴管内压力的变化

　　V测量开始前滴管内油面以上的容积

　　V测量过程中滴管内容积的变化

　　t滴管中油面从零位上升到终位所需时间

　　按常规，滴管式流量计的测量在大气压下进行，即P为大气压。从滴管式流量计的计算公式中可以看出，在滴管内径决定以后，滴管式流量计的量程范围就已确定，唯有滴管内油面上的压力P能对流量的测量产生影响。如果把滴管内油面上的压力P从大气状态转变成真空状态，它的量程就可以通过真空度的调控，来扩大量程范围，实现向小流量方向拓展的目的。这样滴管式流量计就变成了真空滴管式流量计，以内径为15mm的滴管式流量计为例，如滴管内油面上的压力P从105Pa（大气压）降低到5 104Pa，流量将降为原来的一半；压力再降低到1.3 104Pa，则流量将降为原来的1/5喷嘴流量计_长颈喷嘴流量计应用。

　　4结构组成

　　如何来实现上述所说的油面压力P的降低呢？我们知道，常规使用的滴管式流量计，包括滴管式流量计、开式油箱、工作液（油）、真空阀门、计时仪。结构如图2所示。真空滴管式流量计主要由滴管式流量计、超声波液位变送器（零位和终位）、计时仪、密封油箱、真空阀门A与B、真空调节阀、真空计和辅助真空泵组成。真空滴管式流量计结构原理如图3所示。

　　滴管式流量计安装在密封油箱上，并通过真空阀门A与油箱上部连接；滴管中液面上升的二个测量位置设有超声波液位变送器（零位和终位），它输出的讯号控制计时仪，记录液面上升所需时间；超声波液位变送器（终位）的另一路讯号操控真空阀门A，但它只在滴管中液面上升到终位时，打开真空阀门A，以免滴管中液面上升过高；辅助真空泵通过真空阀门B与油箱上部连接，油箱上部还连接有真空调节阀，通过辅助真空泵对密封油箱的抽气和真空调节阀的放气来使密封油箱内的压力保持一个稳定的动态真空状态，它的真空度可根据需要调控，这样，整个流量测量系统均处于真空状态下；真空计用来测量整个真空滴管式流量计系统的真空度。当然，整个测量系统也可以处在大气状态下，这样，就扩大了流量测量范围，特别是向小流量方向的拓展。

　　测量时，先打开真空阀门B，启动辅助真空泵对系统抽气，并打开真空调节阀，按滴管式流量计量程的需要，调节系统的真空度；关闭真空阀门A，滴管中液面开始上升，到达超声波液位变送器（零位）处，计时仪开始计时，

　　至滴管中液面上升到超声波液位变送器（终位）处，计时仪计时结束，真空阀门A自动打开，完成一次测量。

　　5总结

　　真空滴管式流量计具有以下特点：(1)滴管式流量计安装在密封油箱上，通过辅助真空泵的抽气和真空（放气）阀来达到和保持动态稳定的真空，整个流量测量系统均处于真空状态下，扩大了流量测量范围，特别是向小流量拓展。而且它的真空度可调控，以此来设置它的不同的流量范围。

　　(2)整个流量测量系统既可以处于真空状态下，又可以处在大气状态下，扩大了流量测量范围。

　　(3)当整个流量测量系统处于真空状态下时，流量测量系统的真空度必须低于103Pa，以保证流量测量工作的正常进行。

　　(4)滴管中液面的上升高度是预先设定的，并通过超声波液位变送器发出液位讯号；液面上升某高度所需的时间由计时仪记录，它受液位变送器发出的液位讯号所操控，从而避免了手动计时和眼睛观察高度所引起的误差，进一步提高了测试精度。

　　(5)真空滴管式流量计在真空状态下时，特别适宜于测量小流量。它可用较大直径滴管来测量小流量，避免了小直径滴管因毛细管作用引起的流量测试值偏低的情况，使测试更加准确。

　　(6)真空滴管式流量计整个系统处于真空状态下，工作液（油）不会被灰尘和水蒸气污染，保证了测量精确度。

　　真空滴管式流量计是最新研究成果，很可能存在考虑不周的地方，望批评指正。