一种减小校准大流量采样器负载的方法

蔡泽仁 李学辉 陈启悦 / 上海计量测试技术研究院

随着环境污染问题日益突出，市场上与环保相关的仪器，如空气采样器、浮游菌采样器、烟尘烟气采样器、烟尘采样器及总悬浮采样器等被广泛应用。这些采样器的采样流量的准确与否直接影响最终检测结果。如在环境监测领域，由于采样流量的误差造成的检测结果差异直接影响企业污染物排放等合格与否。空气采样器及烟气采样器流量一般在0.1～2 L/min，用皂膜流量计校准其流量，可确保其数值准确可靠。而浮游菌采样器、烟尘采样器以及总悬浮采样器等传统采样器，采样流量较大，通常为10～100 L/min，传统的质量流量计在测量大流量（通常是30 L/min以上）时，由于其本身带来的负载压力比较大，而一般的大流量采样器的最大承受负压有限，导致了采样器在校准时会出现流量不能达到设定值，从而无法满足校准需求的情况[1]。本文采用基于伯努利原理的校准方法，通过压差计测量全压和静压差得到采样管路中的动压，可以计算得出采样流量[2]。此方法流量测量结构简单，参考皮托管风速测量方法，有效减少测量时的额外负载。同时，压差计可以达到较好的准确度等级，误差以及测量不确定度较优，适合用于大流量空气采样器的计量。

1.1 试验原理

根据伯努利原理：流体在沿流线运动过程中， 流体静压、动压、重力势能产生的压强总和保持不变，即总能量守恒。体现在大流量采样器采样系统中，采样流量恒定时，其内部气体运动状态满足伯努利方程。伯努利公式：

式中 ：p —— 静压，Pa；

ρ —— 空气密度，kg/m3；

v —— 空气流速，m/s；

g —— 重力加速度，m/s2；

h —— 垂直高度，m ；

C —— 常量，Pa

对于气体，可忽略其重力，方程简化为

对于大流量采样器而言，被采样气体具有的动能与采样管路中管壁上的静压值之和为常数C。由于大流量采样器在空载时负压相对较小，C假设近似为采样环境的大气压强。气体流速与系统动压（即大气压强与静压之差）成线性关系。公式简化为

则流量计算公式为

式中 ：k —— 流量系数

根据皮托管的设计结构，在固定尺寸的采样管道内，气体流速一定时，管壁上的静压值也是固定的。参照皮托管的设计，在大流量采样器采样口前端串联一根固定尺寸的流量稳定管，使测量点与大气压强有一定压差；
同时也起到了使流量更加稳定的作用[3-5]。

1.2 试验设备

压差计，测量范围：-34～34 kPa；
质量流量计，测量范围 ：
0～100 L/min。

1.3 试验方法

如图1所示，测量不同尺寸稳定管在对应流量时的动压，得到对应的流量-动压曲线，统计出不同尺寸的稳定管的流量系数k。试验中，选用长度为8 cm，内径分别为 4 mm、8 mm 的聚四氟乙烯管作为流量稳定管。通过以上方法，可以确定不同尺寸压力稳定管的动压p与流量系数k。

图1 伯努利原理动压流量测量原理

质量流量计校准大流量空气采样器的方法如图2所示，测量不同流量情况下质量流量计对大流量空气采样器产生的负压，得到一组流量-动压曲线。

图2 质量流量计负载测量原理

2.1 流量稳定管测量的流量-动压数据

选用长度为 10 cm，内径分别为 4 mm、8 mm、12 mm的聚四氟乙烯管作为流量稳定管，测量的流量-动压数据如表1所示。

表1 不同尺寸的流量稳定管测量的流量-动压数据

根据表1可以绘制出流量-动压曲线，如图3所示。

由图3可知，实际测量中，流量与测量负压的幂指数为0.567，而理论上流量与测量负压的0.5次方应成正比关系。这是由于测量系统中有负载以及泵动力源等因素，常量C不为大气压。但是通过实验发现，流量与测量负压的回归性较好，用测量负压来表征大流量采样器流量具有代表性。

图3 不同尺寸的流量稳定管测量的流量-动压

不同尺寸流量稳定管的动压与流量系数k经计算，如表2所示。

表2 不同尺寸的流量稳定管对应的动压与流量系数k

2.2 质量流量计对大流量空气采样器产生的负压

同样，对大流量空气采样器选取10.0 L/min、20.0 L/min、30.0 L/min、50.0 L/min、60.0 L/min 流量设定点，测得的质量流量计对大流量空气采样器产生的负压如表3所示。

表3 质量流量计负载数据

与长度为10 cm，内径为8 mm的流量稳定管相比较，曲线如图4所示。

图4 质量流量计负载与伯努利原理动压测量流量负载比较

由图4可知，在50 L/min时，质量流量计测量产生的负压为1.69 kPa，而用压差计直接测量的压力仅有0.423 kPa，可以显著减小测量系统的负压。

通过本研究表明，用压力乘以系数表征大流量采样器流量的方法具有一定可靠性，通过选择负压小的仪器和流量点，和上述方法比较更能证明以上结果。

通过长度为 10 cm，内径分别为 4 mm、8 mm的聚四氟乙烯管作为流量稳定管测量的流量-动压数据可得出动压与流量系数k，系数分别为19.8、65.1；
通过试验数据可知，相比于质量流量计对大流量空气采样器产生的负压压差计直接测量引入的负压，该方法引入的负压显著减小。也可以用此方法选用适当尺寸的流量稳定管来模拟大流量空气采样器工况下的采样阻力，以探究大流量空气采样器的工作效能。

由于不同管径以及长度的稳定管导致的动压与流量系数k不同，因此，此方法在流量稳定管前端不应再接入其他负载装置，同时，此方法不适用于在闭合管路内的流量测量。

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