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平衡式活塞气体流量计标准装置测量原理与数学模型

时间:2018/06/08来源:未知

活塞气体流量标准装置概述: 活塞式气体流量标准装置具有稳定可靠、测量准确度高等优点,而且比较容易实现自动检测,因此受到流量行业相关人员的极大关注。但由于活塞式气体流量标准装置加工配合准确度要求高,整个装置为机电结合,结构加工较复杂等原因,因此目前国内研究、使用活塞式气体流量标准装置的不是很多,尤其是对可用于小喉径临界流流量计检定的活塞装置研究者更少[19]。 

 活塞气体流量标准装置的特点:
一、结构采用平衡设计原理,可预调瞬时流量,动态跟踪压力,此外该装置产生流量的原理是恒流,然后依靠流体本身的特性来达到恒压,因此流量点的调节易于控制。
二、可以通过置入单一或混合气体,实现流量计在特定气体介质下、不同压力下计量性能的检测。
三、能够实现对微小气体流量的精确测量,可测流量范围为(0.01~100)m3/h。
四、具有较高的实验压力,活塞式气体流量标准装置的内压力最高可达 400k Pa,满足高压损流量计量,流量测量不确定度小于 0.1%(k=2)。
五、该装置在流量量传体系中将起到重要作用,特别是在装置间的比对等方面具有优势。 


活塞气体流量标准装置的应用:
  可针对医药、化工、环保、电子、航空、航天等领域的精细气体流量计展开检测、校准;还可利用该装置对上述行业所需气体流量计、流量控制器进行实验、研究、开发。 

原理与模型:
工作原理:
  如图 3-1 所示,装置工作之前,打开流量控制器,使气体进入到装置内,基本流向是上气缸,下气缸和被检流量计,进入上气缸的气体很快处于压力平衡,此后进入的气体全部进入下气缸,最后经由被检流量计排出,待流量稳定后,设此时的流量为mq (由流量计读出),此时点击检定系统就开始校验,步进电机将会以某一速度 v 驱动丝杠组件旋转,丝杠旋转就带动丝帽驱使活塞向下平移运动,设这时产生的流量为sq ,当活塞向下运动时,就“挤”出下气缸的气体,sq 就代替了原来的mq 。与此同时,因为活塞运动离开上气缸“留”出的空间,就被源源不断的mq 填充。若sq 等于mq ,则零流量指示器显示为零。若sq 不等于mq ,信号就会反馈到计算机系统,系统就根据传过来的信号,即时调整步进电机的转速,直到零流量指示器指示流量为零。计算机记录下来步进电机步长和速率,根据温度、压力和时间,按一定的数学模型计算出标准流量[19]。 
图 3-1  装置工作原理图

图 3-1  装置工作原理图   

数学模型:

   活塞下降排出累积体积流量值 Qh Vs×== ∫h2h1hA      式中:sV —活塞装置的累积体积; Ah—缸体有效横截面积,是一个延活塞轴线分布的函数,视机械加工工艺水平,可作为常数,也可以作为函数处理,m2;
    h—活塞有效下降高度,m。 活塞移动产生的工况流量的工况温度、工况压力由放置在缸体的温度传感器和压力传感器测得的平均值来表征,用以计算活塞排出的其他状态体积流量。  活塞排出气体的体积流量换算到标准状态下的体积流量计算公式为: ( ) ( )s NNs Ns••=TPTPVV  
  式中:sP 、NP —分别为缸体内和标准状态下的绝对压力,NP =101.325 Kpa;      sT 、NT —分别为缸体内和标准状态热力学温度,NT =293.15K。
  通过被检流量计的气体累积流量值即为活塞排出的气体体积,可分为工况累计流量和标况累计流量,标况累计流量计算公式如下。即:  smmssm••=TPTPVV  式中:mP —被检流量计处绝对压力,Pa;       mT —被检流量计处热力学温度,K。 通过流量计的气体瞬时体积流量为 ( )mmm NmVq ••==Pt Tt V /34564.0   ( sm /3) 式中:t—试验时间,s       NV —标准状态下气体体积值,L 

本章小结: 本章阐述了活塞式气体流量标准装置的特点、应用范围和领域,阐述了平衡式活塞气体流量标准装置的的工作原理和数学模型。 

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