一种真空状态下的气体流量测量新方法

　　真空气体流量的测量常见于需要真空气流的过程,如宽范围湿度的发生过程,卷烟的生产过程及大气环境的模拟过程等。在大气环境模拟过程中,动态真空实验箱内真空环境的更新速度,是衡量实验箱性能的一个重要指标。为控制动态真空实验箱内真空环境的更新速度,必须实时测量真空状态下的气体流量。真空状态下,气体流量的测量具有如下特点[1]:

　　(1)流量密度小,限制了涡街流量计与超声流量计的正常使用。对于前者相应的气流推力过小,对于后者则会产生阻抗匹配的困难。

　　(2)不允许引入明显的压力损失。真空管道上安装流量计后增大了阻力,产生较大的压损将使动力损耗大大增加,不利于节能。因而孔板流量计、涡轮流量计、容积式流量计等均不适用。

　　(3)流量计在负压管道上安装后,如果存在泄漏很难觉察,不仅会浪费动力,而且会严重破坏内部气体环境。

　　综上虽然当前关于气体流量测量的方法多种多样,但是基于这些方法设计的流量计一般仅针对非真空(>100 kPa)或真空度不高的情形。当气流绝对压力小于40 kPa时,当前市场上在售的流量计基本上都无法满足测量要求。在流量调节过程中,调节阀必不可少。真空状态下,气体通过调节阀的流量主要取决于四个因素,阀前压力、阀后压力、流量系数、气流温度[2]。利用调节阀的节流特点,如果建立起流量与四者的关系模型,调节阀本身即可以充当流量计,那么通过测定上述四者的量值,就可以间接确定真空状态下的流量。但在建立模型时由于真空状态(<40 kPa)下没有合适的流量计能够进行流量测量和标定,所以无法确定流量值。为此本文基于动态平衡原理设计了一套新颖的流量标定系统,获取了可靠的数据样本;然后利用多元非线性回归方法与Gauss-Newton算法对数据进行建模,确立了流量与四个变量的关系表达式;基于此表达式只需测定四个变量便能直接计算出相应的流量。

　　1　调节阀的节流特性

　　如图1所示,调节阀具有节流特性[3-4],流经调节阀的流量可由式(1)计算得到

　　式中,N为考虑到具体单位的数值常量;Kv为调节阀固有流量系数;p1为阀前压力,p2为阀后压力;X为压差比;M为气体的分子量;T为气流温度;Z为压缩因子,在真空状态下,其值接近为1;Fk为气体比热系数,对于空气Fk=1;Xt为临界压差比,主要取决于阀体的结构。对于可压缩流体的流动有阻塞流和非阻塞流两种情形,其判别标准为:若(p1-p2)/p1

　　从式(1)可知流量的大小主要取决于阀门与流体的物理特性,而且当阀门开度O发生变化时,Kv值也会相应改变。因而流量与阀门开度O、阀门上游压力p1、下游压力p2、气流温度T的综合函数关系可以表达为