喷嘴流量计与真空滴管流量计的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)浙江真空设备集团有限公司 作者:钟云会

  本文对机械真空泵测试中常用的几种流量计进行了讨论,尤其对喷嘴流量计从测量原理上进行了探讨,研究了减少测量误差的措施。着重对滴管流量计量程向小流量方向拓展进行了深入的研究,提出了真空滴管式流量计的设想,完善了结构设置和操作规程,总结了真空滴管式流量计的特点。

  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。但对真空设备行业而言,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2000 SLM,但连接口径只有10 mm,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。

喷嘴流量计与真空滴管流量计的研究

  上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。

喷嘴流量计与真空滴管流量计的研究

  本喷嘴流量计测试装置与GB/T13930 规的不同之处在于,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3 kPa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。

  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103 Pa,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。

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