CN111272236B - 气体层流流量计气体流量的计算方法及气体层流流量计 - Google Patents

气体层流流量计气体流量的计算方法及气体层流流量计 Download PDF

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Abstract

本发明涉及气体层流流量技术，主要涉及气体流量计算方法及气体层流流量计。一种气体层流流量计气体流量的计算方法，包括选取压力值为pa的点为辅助点a，通过辅助点a的初始体积流量qa1校准所述的仪表系数K的步骤和使用校准后的仪表系数K，对实际气体流量的计算步骤；同时还提供了使用所述计算方法的气体层流流量计。本发明采用方法利用辅助点a处的体积流量qa和Δp之间始终为线性关系这一特点，并考虑了气体的可压缩性，方便仪表系数K的计算，提高仪表系数K的校准精度，有效解决现有层流流量计精度低的难题。

Description

气体层流流量计气体流量的计算方法及气体层流流量计
技术领域
本发明涉及气体层流流量技术，主要涉及气体流量计算方法及气体层流流量计。
背景技术
气体层流流量计是一种通过将气体从湍流转化为层流进行气体流量测量的流量测量仪表。气体处于层流状态时，气体流动产生的压力损失和气体流量成正比，即哈根泊肃叶定律。通过测量压力损失，气体层流流量计即可得到对应的气体流量。
气体层流流量计包括有差压传感器、温度传感器和压力传感器，对外测量输出出口体积流量和标准状态下的体积流量。气体层流流量计一般采用如下校准和流量测量公式：
Figure BDA0002392229230000011
Figure BDA0002392229230000012
上式中：
q为气体层流流量计出口体积流量，单位为m3/s；
qN为标准状态下的体积流量，单位为m3/s；
K为气体层流流量计仪表系数，只与气体层流流量计的几何结构相关，单位为m-3；
μ为气体的动力黏度，由Tm确定，单位为Pa·s；
Δp为气体层流流量计产生的压力损失，由差压传感器测量，单位为Pa；
pm为工作状态下气体层流流量计出口压力，由压力传感器测量，单位为Pa；
Tm为工作状态下气体层流流量计出口热力学温度，由温度传感器测量，单位为K；
pN为标准状态下的压力，单位为Pa；
TN为标准状态下的热力学温度，单位为K；
气体层流流量计需要先在实验室中采用上述公式进行校准，确定K值，然后才能投入使用。使用时，用校准好的K值测量出口的体积流量q和标准状态下的体积流量qN。
目前的气体层流流量计均采用上述公式，例如专利号为CN201220237073的专利公开的一种层流元件，专利号为CN200820060508的专利公开的一种发动机瞬时流量测量层流流量计，以及专利号为CN201510610447的专利公开的一种层流元件。这些专利均认为，在气体层流流量计中，压力损失和气体流量成绝对正比。
上述提到的校准和流量测量方法没有考虑气体的可压缩性，和现实相差很大。当气体流过层流流量计时，由于压力损失，气体的体积会随之增大，破坏层流流量计的线性度，使得压力损失和气体流量不再成正比。一般采用这种校准和计算方法制作的气体层流流量计测量误差在1％以上。
目前也有研究人员对上述公式进行了修正，将气体的可压缩性纳入考虑范围，修正公式如下：
Figure BDA0002392229230000021
此公式虽然考虑了气体的可压缩性，但是q成为了Δp的二次函数，实际操作过程中会给数值处理带来麻烦，一样会降低仪表系数K的计算精度，并不能有效减小气体层流流量计的测量误差。
总体而言，目前气体层流流量计使用的方法存在性度差，精度低的难题。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种解决现有方法线性度差，精度低的难题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种气体层流流量计气体流量的计算方法，包括以下步骤：
1)所述气体层流流量计仪表系数K的校准步骤，具体包括：
11)初始数据的测量采集步骤：将气体层流流量计安装到气体流量标准装置上；
由气体层流流量计的压力传感器测量采集气体层流流量计出口处的压力值pm，pm的单位为Pa；
由气体层流流量计的温度传感器测量采集气体层流流量计出口处的热力学温度值Tm，Tm的单位为K；
由气体层流流量计的差压传感器测量采集压力损失值Δp，Δp的单位为Pa；
由所述的温度值Tm确定的气体动力黏度值μ，μ的单位为Pa·s；
由气体流量标准装置提供的流过所述气体层流流量计的标准状态下的体积流量qsN，qsN的单位为m3/s；
还包括标准状态下的压力值pN，pN的单位为Pa；
气体层流流量计的标准状态下的热力学温度TN，TN的单位为K；
所述步骤1)仪表系数K的校准步骤，还包括以下步骤：
12)选取压力值为pa的点为辅助点a，Pa单位为Pa，
Figure BDA0002392229230000031
13)确定辅助点a后，使用理想气体状态方程，通过如下公式换算辅助点a的初始体积流量qa1，qa1的单位为m3/s，
Figure BDA0002392229230000041
14)采用以下公式通过辅助点a的初始体积流量qa1校准所述的仪表系数K，单位为m-3，
Figure BDA0002392229230000042
2)使用步骤1)校准后的仪表系数K,对实际气体流量的计算步骤，具体包括以下步骤：
21)所述气体层流流量计在实际使用时流量的测量：
由气体层流流量计实际采集的压力传感器测量采集气体层流流量计出口处的压力值pm实，pm实的单位为Pa；
由气体层流流量计的温度传感器实际测量采集热力学温度值Tm实，Tm实的单位为K；
由气体层流流量计的差压传感器实际测量采集压力损失值Δp实，Δp实的单位为Pa；
由所述的热力学温度值Tm实确定的气体动力黏度μ实，μ实的单位为Pa·s；
再用空气在常温、常压下标定并换算得到实际使用中的标准状态下的标量值：
以及，已知标准状态下的压力pN实，pN实的单位为Pa；
标准状态下的热力学温度TN实，TN实的单位为K；
22)通过以下公式计算辅助点a的实际体积流量qa2，qa2单位为m3/s；
Figure BDA0002392229230000043
式中，K为由步骤1)得到的所述的气体层流流量计的仪表系数K，K的单位为m-3；
23)通过22)步骤得到的辅助点a的实际体积流量qa2，使用理想气体状态方程换算气体流量，所述的气体流量包括实际状态下的体积流量q实，q实的单位为m3/s和标准状态下的体积流量qN实，qN实的单位为m3/s，所述的换算公式分别为：
Figure BDA0002392229230000051
Figure BDA0002392229230000052
本发明还提供一种使用如上所述计算方法的气体层流流量计，所述的气体层流流量计包括层流元件，所述辅助点a是所述层流元件内部压力值，具体是指层流元件进出口压力平均值的点；在层流元件上设有用于测量采集压力损失的差压传感器，在层流元件的气体层流的出口处设有用于测量采集温度的温度传感器和用于测量采集压力的压力传感器，还包括二次仪表，二次仪表分别与所述的差压传感器、温度传感器及压力传感器电连接，二次仪表接收来自传感器压差、温度、压力信号，运用所述流量计算方法计算出气体流量值，并将气体流量值显示在二次仪表的显示屏中。
为了说明本发明的科学性，以下将展示所用公式的推导过程：
当可压缩流体流过气体层流流量计时，由于压力损失，气体的体积会随之增大。气体层流流量计中层流流道的长度为l，截面积为A。沿气体流动方向建立x轴，假设流入气体在标准状态下的体积流量为qsN，温度Tm由安装于气体层流流量计出口处的温度传感器测量，压力为p＝p(x)。
当x＝0时，p＝p1，当x＝l时，p＝p2，差压传感器4测量压力损失Δp＝p1-p2。
气体层流流量计的压力传感器一般安装在出口处，即pm＝p2。根据哈根泊肃叶定律，气体层流流量计内部x点的压力变化为：
Figure BDA0002392229230000061
式中：
u为气体流速；
负号表示随着x的增加，p是减小的。
根据理想气体状态方程可得x点的速度u为：
Figure BDA0002392229230000062
式中：
ρs为标准状态下气体的密度；
v为这x点的气体比体积；
Rg为气体常数。
将式(2)带入式(1)，并做定积分可得：
Figure BDA0002392229230000063
Figure BDA0002392229230000064
整理式(4)可得：
Figure BDA0002392229230000065
假设气体层流流量计内部存在一辅助点a，其压力值为
Figure BDA0002392229230000066
需要特别说明的是，这点不位于气体层流流量计1的几何中心点，辅助点a的体积流量为qa。在式(5)两端各除以
Figure BDA0002392229230000067
可得：
Figure BDA0002392229230000068
式(6)说明，气体层流流量计1在测量可压缩流体时，其内部始终存在一辅助点a，此处的体积流量qa和Δp之间始终为线性关系。
本发明采用的一种气体层流流量计校准和流量测量方法正是利用辅助点a处的体积流量qa和Δp之间始终为线性关系这一特点来解决解决现有方法线性度差，精度低的难题。
本发明的有益效果是：本发明采用的一种气体层流流量计校准和流量测量方法，考虑了气体的可压缩性，并且是个严格的线性模型，方便仪表系数K的计算，并能提高仪表系数K的校准精度。本发明所提的一种气体层流流量计校准和流量测量方法可有效解决现有层流流量计精度低的难题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1：一种气体层流流量计气体流量的计算方法，包括以下步骤：
1)所述气体层流流量计仪表系数K的校准步骤，具体包括：
11)初始数据的测量采集步骤：将气体层流流量计安装到气体流量标准装置上；
由气体层流流量计的压力传感器测量采集气体层流流量计出口处的压力值pm，pm的单位为Pa；
由气体层流流量计的温度传感器测量采集气体层流流量计出口处的热力学温度值Tm，Tm的单位为K；
由气体层流流量计的差压传感器测量采集压力损失值Δp，Δp的单位为Pa；
由所述的温度值Tm确定的气体动力黏度值μ，μ的单位为Pa·s；
由气体流量标准装置提供的流过所述气体层流流量计的标准状态下的体积流量qsN，qsN的单位为m3/s；
还包括标准状态下的压力值pN，pN的单位为Pa；
标准状态下的热力学温度TN，TN的单位为K；
所述步骤1)仪表系数K的校准步骤，还包括以下步骤：
12)选取压力值为pa的点为辅助点a，pa单位为Pa，
Figure BDA0002392229230000081
13)确定辅助点a后，使用理想气体状态方程，通过如下公式换算辅助点a的初始体积流量qa1，qa1的单位为m3/s，
Figure BDA0002392229230000082
14)采用以下公式通过辅助点a的初始体积流量qa1校准所述的仪表系数K，单位为m-3，
Figure BDA0002392229230000083
2)使用步骤1)校准后的仪表系数K，对实际气体流量的计算步骤，具体包括以下步骤：
21)所述气体层流流量计在实际使用时流量的测量：
由气体层流流量计实际采集的压力传感器测量采集气体层流流量计出口处的压力值pm实，pm实的单位为Pa；
由气体层流流量计的温度传感器实际测量采集热力学温度值Tm实，Tm实的单位为K；
由气体层流流量计的差压传感器实际测量采集压力损失值Δp实，Δp实的单位为Pa；
由所述的热力学温度值Tm实确定的气体动力黏度μ实，μ实的单位为Pa·s；
还包括标准状态下的压力pN实，pN实的单位为Pa；
标准状态下的热力学温度TN实，TN实的单位为K；
22)通过以下公式计算辅助点a的实际体积流量qa2，qa2单位为m3/s；
Figure BDA0002392229230000091
式中，K为由步骤1)得到的所述的气体层流流量计的仪表系数K，K的单位为m-3；
23)通过22)步骤得到的辅助点a的实际体积流量qa2，使用理想气体状态方程换算气体流量，所述的气体流量包括实际状态下的体积流量q实，q实的单位为m3/s和标准状态下的体积流量qN实，qN实的单位为m3/s，所述的换算公式分别为：
Figure BDA0002392229230000092
Figure BDA0002392229230000093
实施例2：如图1所示，与实施例1相同，不同的是提供了使用实施例1所述计算方法的气体层流流量计1，所述的气体层流流量计包括层流元件2，所述辅助点a 3是所述层流元件2内部压力值，具体是指层流元件2进出口压力平均值的点；在层流元件2上设有用于测量采集压力损失的差压传感器4，在层流元件2的气体层流的出口处设有用于测量采集温度的温度传感器6和用于测量采集压力的压力传感器5，还包括二次仪表7，二次仪表7分别与所述的差压传感器4、温度传感器6及压力传感器5电连接，二次仪表7接收来自传感器压差、温度、压力信号，运用所述流量计算方法计算出气体流量值，并将气体流量值显示在二次仪表7的显示屏中。
具体实例1：以一台量程为0～500sccm气体层流流量计作为实施例说明。以下将展示如何使用本发明计算气体流量，将气体层流流量计的测量误差从1％减小到0.5％以下，可有效解决现有层流流量计精度低的难题。
如图1，当图1中所述气体层流流量计1的量程为0～500sccm，通过辅助点a 3的体积流量qa1计算仪表系数K的值。校准采用的气体为干燥压缩空气，试验时温度为21.6℃，空气的动力粘度μ为18.18×10-6kg/(m·s)。流入气体层流流量计1的标准状态下的体积流量qsN由活塞标准装置提供。辅助点a 3的体积流量qa1的计算公式为：
Figure BDA0002392229230000101
仪表系数K的计算公式为：
Figure BDA0002392229230000102
校准数据记录于表1中。
表1校准数据
Figure BDA0002392229230000103
根据表1中可得，仪表系数K的值取平均值，为K＝2.073×10-14m-3。
在实际使用时，气体层流流量计1流量测量，先计算辅助点a 3的体积流量，再通过辅助点a 3的体积流量换算气体层流流量计出口体积流量q和标准状态下的体积流量qN。辅助点a 3的体积流量qa2计算公式为：
Figure BDA0002392229230000104
气体层流流量计1出口体积流量q和标准状态下的体积流量qN实计算公式为：
Figure BDA0002392229230000111
Figure BDA0002392229230000112
为了说明本发明的实用性，对采用本发明的气体层流流量计1进行检定。检定采用的标准装置为活塞标准装置，检定数据记录如表2，对比了qN和qsN。
表2检定数据
Figure BDA0002392229230000113
从表2数据中可以看出，气体层流流量计1在采用了本发明的方法后，最大测误差为0.35％。如果气体层流流量计1采用现有方法，最大误差一般不会小于1％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种气体层流流量计气体流量的计算方法，包括以下步骤：
1)所述气体层流流量计仪表系数K的校准步骤，具体包括：
11)初始数据的测量采集步骤：将气体层流流量计安装到气体流量标准装置上；
由气体层流流量计的压力传感器测量采集气体层流流量计出口处的压力值pm，pm的单位为Pa；
由气体层流流量计的温度传感器测量采集气体层流流量计出口处的热力学温度值Tm，Tm的单位为K；
由气体层流流量计的差压传感器测量采集压力损失值Δp，Δp的单位为Pa；
由所述的温度值Tm确定的气体动力黏度值μ，μ的单位为Pa·s；
由气体流量标准装置提供的流过所述气体层流流量计的标准状态下的体积流量qsN，qsN的单位为m3/s；
还包括标准状态下的压力值pN，pN的单位为Pa；
标准状态下的热力学温度TN，TN的单位为K；
2)使用步骤1)校准后的仪表系数K，对实际气体流量的计算步骤；
其特征在于，
所述步骤1)仪表系数K的校准步骤，还包括以下步骤：
12)选取压力值为pa的点为辅助点a，pa单位为Pa，
Figure FDA0002392229220000011
13)确定辅助点a后，使用理想气体状态方程，通过如下公式换算辅助点a的初始体积流量qa1，qa1的单位为m3/s，
Figure FDA0002392229220000012
14)采用以下公式通过辅助点a的初始体积流量qa1校准所述的仪表系数K，单位为m-3，
Figure FDA0002392229220000021
所述的步骤2)使用步骤1)校准后的仪表系数K对实际气体流量的计算步骤，具体包括以下步骤：
21)所述气体层流流量计在实际使用时流量的测量：
由气体层流流量计实际采集的压力传感器测量采集气体层流流量计出口处的压力值pm实，pm实的单位为Pa；
由气体层流流量计的温度传感器实际测量采集热力学温度值Tm实，Tm实的单位为K；
由气体层流流量计的差压传感器实际测量采集压力损失值Δp实，Δp实的单位为Pa；
由所述的热力学温度值Tm实确定的气体动力黏度μ实，μ实的单位为Pa·s；
以及，已知的标准状态下的压力pN，pN的单位为Pa；
标准状态下的热力学温度TN，TN的单位为K；
22)通过以下公式计算辅助点a的实际体积流量qa2，qa2单位为m3/s；
Figure FDA0002392229220000022
式中，K为由步骤1)得到的所述的气体层流流量计的仪表系数K，K的单位为m-3；
23)通过22)步骤得到的辅助点a的实际体积流量qa2，使用理想气体状态方程换算气体流量，所述的气体流量包括实际状态下的体积流量q实，q实的单位为m3/s和标准状态下的体积流量qN实，qN实的单位为m3/s，所述的换算公式分别为：
Figure FDA0002392229220000031
Figure FDA0002392229220000032
2.使用如权利要求1所述计算方法的气体层流流量计，其特征在于，所述的气体层流流量计包括层流元件，所述辅助点a是所述层流元件内部的压力值，具体是指层流元件进出口压力平均值的点；在层流元件上设有用于测量采集压力损失的差压传感器，在层流元件的气体层流的出口处设有用于测量采集温度的温度传感器和用于测量采集压力的压力传感器，还包括二次仪表，二次仪表分别与所述的差压传感器、温度传感器及压力传感器电连接，二次仪表接收来自传感器压差、温度、压力信号，运用权利要求1所述的流量计算方法计算出气体流量值，并将气体流量值显示在二次仪表的显示屏中。
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