蔡澤仁 李學(xué)輝 陳啟悅 / 上海計量測試技術(shù)研究院

0 引言

隨著環(huán)境污染問題日益突出，市場上與環(huán)保相關(guān)的儀器，如空氣采樣器、浮游菌采樣器、煙塵煙氣采樣器、煙塵采樣器及總懸浮采樣器等被廣泛應(yīng)用。這些采樣器的采樣流量的準(zhǔn)確與否直接影響最終檢測結(jié)果。如在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，由于采樣流量的誤差造成的檢測結(jié)果差異直接影響企業(yè)污染物排放等合格與否。空氣采樣器及煙氣采樣器流量一般在0.1～2 L/min，用皂膜流量計校準(zhǔn)其流量，可確保其數(shù)值準(zhǔn)確可靠。而浮游菌采樣器、煙塵采樣器以及總懸浮采樣器等傳統(tǒng)采樣器，采樣流量較大，通常為10～100 L/min，傳統(tǒng)的質(zhì)量流量計在測量大流量（通常是30 L/min以上）時，由于其本身帶來的負(fù)載壓力比較大，而一般的大流量采樣器的最大承受負(fù)壓有限，導(dǎo)致了采樣器在校準(zhǔn)時會出現(xiàn)流量不能達(dá)到設(shè)定值，從而無法滿足校準(zhǔn)需求的情況[1]。本文采用基于伯努利原理的校準(zhǔn)方法，通過壓差計測量全壓和靜壓差得到采樣管路中的動壓，可以計算得出采樣流量[2]。此方法流量測量結(jié)構(gòu)簡單，參考皮托管風(fēng)速測量方法，有效減少測量時的額外負(fù)載。同時，壓差計可以達(dá)到較好的準(zhǔn)確度等級，誤差以及測量不確定度較優(yōu)，適合用于大流量空氣采樣器的計量。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗原理

根據(jù)伯努利原理：流體在沿流線運動過程中， 流體靜壓、動壓、重力勢能產(chǎn)生的壓強總和保持不變，即總能量守恒。體現(xiàn)在大流量采樣器采樣系統(tǒng)中，采樣流量恒定時，其內(nèi)部氣體運動狀態(tài)滿足伯努利方程。伯努利公式：

式中 ：p —— 靜壓，Pa；

ρ —— 空氣密度，kg/m3；

v —— 空氣流速，m/s；

g —— 重力加速度，m/s2；

h —— 垂直高度，m ；

C —— 常量，Pa

對于氣體，可忽略其重力，方程簡化為

對于大流量采樣器而言，被采樣氣體具有的動能與采樣管路中管壁上的靜壓值之和為常數(shù)C。由于大流量采樣器在空載時負(fù)壓相對較小，C假設(shè)近似為采樣環(huán)境的大氣壓強。氣體流速與系統(tǒng)動壓（即大氣壓強與靜壓之差）成線性關(guān)系。公式簡化為

則流量計算公式為

式中 ：k —— 流量系數(shù)

根據(jù)皮托管的設(shè)計結(jié)構(gòu)，在固定尺寸的采樣管道內(nèi)，氣體流速一定時，管壁上的靜壓值也是固定的。參照皮托管的設(shè)計，在大流量采樣器采樣口前端串聯(lián)一根固定尺寸的流量穩(wěn)定管，使測量點與大氣壓強有一定壓差；同時也起到了使流量更加穩(wěn)定的作用[3-5]。

1.2 試驗設(shè)備

壓差計，測量范圍：-34～34 kPa；質(zhì)量流量計，測量范圍 ： 0～100 L/min。

1.3 試驗方法

如圖1所示，測量不同尺寸穩(wěn)定管在對應(yīng)流量時的動壓，得到對應(yīng)的流量-動壓曲線，統(tǒng)計出不同尺寸的穩(wěn)定管的流量系數(shù)k。試驗中，選用長度為8 cm，內(nèi)徑分別為 4 mm、8 mm 的聚四氟乙烯管作為流量穩(wěn)定管。通過以上方法，可以確定不同尺寸壓力穩(wěn)定管的動壓p與流量系數(shù)k。

圖1 伯努利原理動壓流量測量原理

質(zhì)量流量計校準(zhǔn)大流量空氣采樣器的方法如圖2所示，測量不同流量情況下質(zhì)量流量計對大流量空氣采樣器產(chǎn)生的負(fù)壓，得到一組流量-動壓曲線。

圖2 質(zhì)量流量計負(fù)載測量原理

2 結(jié)果與討論

2.1 流量穩(wěn)定管測量的流量-動壓數(shù)據(jù)

選用長度為 10 cm，內(nèi)徑分別為 4 mm、8 mm、12 mm的聚四氟乙烯管作為流量穩(wěn)定管，測量的流量-動壓數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同尺寸的流量穩(wěn)定管測量的流量-動壓數(shù)據(jù)

根據(jù)表1可以繪制出流量-動壓曲線，如圖3所示。

由圖3可知，實際測量中，流量與測量負(fù)壓的冪指數(shù)為0.567，而理論上流量與測量負(fù)壓的0.5次方應(yīng)成正比關(guān)系。這是由于測量系統(tǒng)中有負(fù)載以及泵動力源等因素，常量C不為大氣壓。但是通過實驗發(fā)現(xiàn)，流量與測量負(fù)壓的回歸性較好，用測量負(fù)壓來表征大流量采樣器流量具有代表性。

圖3 不同尺寸的流量穩(wěn)定管測量的流量-動壓

不同尺寸流量穩(wěn)定管的動壓與流量系數(shù)k經(jīng)計算，如表2所示。

表2 不同尺寸的流量穩(wěn)定管對應(yīng)的動壓與流量系數(shù)k

2.2 質(zhì)量流量計對大流量空氣采樣器產(chǎn)生的負(fù)壓

同樣，對大流量空氣采樣器選取10.0 L/min、20.0 L/min、30.0 L/min、50.0 L/min、60.0 L/min 流量設(shè)定點，測得的質(zhì)量流量計對大流量空氣采樣器產(chǎn)生的負(fù)壓如表3所示。

表3 質(zhì)量流量計負(fù)載數(shù)據(jù)

與長度為10 cm，內(nèi)徑為8 mm的流量穩(wěn)定管相比較，曲線如圖4所示。

圖4 質(zhì)量流量計負(fù)載與伯努利原理動壓測量流量負(fù)載比較

由圖4可知，在50 L/min時，質(zhì)量流量計測量產(chǎn)生的負(fù)壓為1.69 kPa，而用壓差計直接測量的壓力僅有0.423 kPa，可以顯著減小測量系統(tǒng)的負(fù)壓。

3 結(jié)語

通過本研究表明，用壓力乘以系數(shù)表征大流量采樣器流量的方法具有一定可靠性，通過選擇負(fù)壓小的儀器和流量點，和上述方法比較更能證明以上結(jié)果。

通過長度為 10 cm，內(nèi)徑分別為 4 mm、8 mm的聚四氟乙烯管作為流量穩(wěn)定管測量的流量-動壓數(shù)據(jù)可得出動壓與流量系數(shù)k，系數(shù)分別為19.8、65.1；通過試驗數(shù)據(jù)可知，相比于質(zhì)量流量計對大流量空氣采樣器產(chǎn)生的負(fù)壓壓差計直接測量引入的負(fù)壓，該方法引入的負(fù)壓顯著減小。也可以用此方法選用適當(dāng)尺寸的流量穩(wěn)定管來模擬大流量空氣采樣器工況下的采樣阻力，以探究大流量空氣采樣器的工作效能。

由于不同管徑以及長度的穩(wěn)定管導(dǎo)致的動壓與流量系數(shù)k不同，因此，此方法在流量穩(wěn)定管前端不應(yīng)再接入其他負(fù)載裝置，同時，此方法不適用于在閉合管路內(nèi)的流量測量。