當(dāng)空氣絕對(duì)壓力小于40 kPa 時(shí), 目前尚無(wú)簡(jiǎn)便有效的氣流質(zhì)量流量測(cè)量手段, 為此本文設(shè)計(jì)了一套新穎的流量標(biāo)定裝置, 并提出一種了流量測(cè)量方法。在流量調(diào)節(jié)過(guò)程中, 調(diào)節(jié)閥必不可少。真空狀態(tài)下, 流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量幾乎完全由閥前、后壓力、氣流溫度四個(gè)變量決定。本文由流量標(biāo)定裝置獲取有效的數(shù)據(jù)樣本, 基于多元非線性回歸方法建立了流量與四者的關(guān)系表達(dá)式。一定范圍內(nèi)只要測(cè)定四個(gè)變量, 則能直接計(jì)算出相應(yīng)流量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明計(jì)算值與實(shí)測(cè)流量偏差小于3.0%。

　　真空氣體流量的測(cè)量常見(jiàn)于需要真空氣流的過(guò)程, 如寬范圍濕度的發(fā)生過(guò)程, 卷煙的生產(chǎn)過(guò)程及大氣環(huán)境的模擬過(guò)程等。在大氣環(huán)境模擬過(guò)程中, 動(dòng)態(tài)真空實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)真空環(huán)境的更新速度, 是衡量實(shí)驗(yàn)箱性能的一個(gè)重要指標(biāo)。為控制動(dòng)態(tài)真空實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)真空環(huán)境的更新速度, 必須實(shí)時(shí)測(cè)量真空狀態(tài)下的氣體流量。真空狀態(tài)下, 氣體流量的測(cè)量具有如下特點(diǎn) :

　　(1) 流量密度小, 限制了渦街流量計(jì)與超聲流量計(jì)的正常使用。對(duì)于前者相應(yīng)的氣流推力過(guò)小,對(duì)于后者則會(huì)產(chǎn)生阻抗匹配的困難。

　　(2) 不允許引入明顯的壓力損失。真空管道上安裝流量計(jì)后增大了阻力, 產(chǎn)生較大的壓損將使動(dòng)力損耗大大增加, 不利于節(jié)能。因而孔板流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、容積式流量計(jì)等均不適用。

　　(3) 流量計(jì)在負(fù)壓管道上安裝后, 如果存在泄漏很難覺(jué)察, 不僅會(huì)浪費(fèi)動(dòng)力, 而且會(huì)嚴(yán)重破壞內(nèi)部氣體環(huán)境。

　　綜上雖然當(dāng)前關(guān)于氣體流量測(cè)量的方法多種多樣, 但是基于這些方法設(shè)計(jì)的流量計(jì)一般僅針對(duì)非真空( > 100 kPa) 或真空度不高的情形。當(dāng)氣流絕對(duì)壓力小于40 kPa 時(shí), 當(dāng)前市場(chǎng)上在售的流量計(jì)基本上都無(wú)法滿(mǎn)足測(cè)量要求。在流量調(diào)節(jié)過(guò)程中, 調(diào)節(jié)閥必不可少。真空狀態(tài)下, 氣體通過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量主要取決于四個(gè)因素, 閥前壓力、閥后壓力、流量系數(shù)、氣流溫度。利用調(diào)節(jié)閥的節(jié)流特點(diǎn), 如果建立起流量與四者的關(guān)系模型, 調(diào)節(jié)閥本身即可以充當(dāng)流量計(jì), 那么通過(guò)測(cè)定上述四者的量值, 就可以間接確定真空狀態(tài)下的流量。但在建立模型時(shí)由于真空狀態(tài)( < 40 kPa) 下沒(méi)有合適的流量計(jì)能夠進(jìn)行流量測(cè)量和標(biāo)定, 所以無(wú)法確定流量值。為此本文基于動(dòng)態(tài)平衡原理設(shè)計(jì)了一套新穎的流量標(biāo)定系統(tǒng),獲取了可靠的數(shù)據(jù)樣本; 然后利用多元非線性回歸方法與Gauss-Newton 算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模, 確立了流量與四個(gè)變量的關(guān)系表達(dá)式; 基于此表達(dá)式只需測(cè)定四個(gè)變量便能直接計(jì)算出相應(yīng)的流量。

1、 調(diào)節(jié)閥的節(jié)流特性

　　如圖1 所示, 調(diào)節(jié)閥具有節(jié)流特性, 流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量可由式(1) 計(jì)算得到

　　式中,N為考慮到具體單位的數(shù)值常量;Kv為調(diào)節(jié)閥固有流量系數(shù);p1為閥前壓力,p2為閥后壓力;X為壓差比;M為氣體的分子量;T為氣流溫度;Z為壓縮因子,在真空狀態(tài)下,其值接近為1;Fk為氣體比熱系數(shù),對(duì)于空氣Fk=1;Xt為臨界壓差比,主要取決于閥體的結(jié)構(gòu)。對(duì)于可壓縮流體的流動(dòng)有阻塞流和非阻塞流兩種情形,其判別標(biāo)準(zhǔn)為:若(p1-p2)/p1

　　從式(1)可知流量的大小主要取決于閥門(mén)與流體的物理特性,而且當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度O發(fā)生變化時(shí),Kv值也會(huì)相應(yīng)改變。因而流量與閥門(mén)開(kāi)度O、閥門(mén)上游壓力p1、下游壓力p2、氣流溫度T的綜合函數(shù)關(guān)系可以表達(dá)為

　　由式(2)可知,如果能夠獲知流量與四個(gè)變量的關(guān)系模型,那么就可以通過(guò)測(cè)量四個(gè)變量計(jì)算出相應(yīng)的實(shí)際流量。確定關(guān)系模型的首要前提是采取一定的方法獲得有關(guān)流量與四個(gè)變量的有效數(shù)據(jù)樣本。

2、基于動(dòng)態(tài)平衡的流量標(biāo)定方法

　　當(dāng)絕壓小于40 kPa時(shí),目前沒(méi)有合適的流量計(jì)直接進(jìn)行空氣流量標(biāo)定,即式(2)中已知p1,p2,T,O無(wú)法測(cè)得準(zhǔn)確的輸出值Q,故難以對(duì)樣本進(jìn)行有效收集,為解決這一問(wèn)題本文設(shè)計(jì)了一套流量標(biāo)定系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。利用該系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥V1為任一開(kāi)度時(shí)均能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)容腔C1、C2內(nèi)真空氣流壓力的獨(dú)立控制。當(dāng)C1、C2內(nèi)真空壓力到達(dá)穩(wěn)態(tài),系統(tǒng)干路流量處處相等[5]。

　　由圖2知流量計(jì)安裝在C0與C1之間�？刂崎yV0、V3安裝在C1的上游,調(diào)節(jié)C1內(nèi)的氣流場(chǎng)壓力;控制閥V2、V4安裝在C2的下游,調(diào)節(jié)C2內(nèi)的氣流場(chǎng)壓力;控制閥V1充當(dāng)流量計(jì),在一次流量測(cè)定過(guò)程中其開(kāi)度保持不變。假定p0,p1,p2,p3分別為壓力容腔C0,C1,C2,C3內(nèi)的氣流場(chǎng)壓力。因p0為穩(wěn)定的氣源壓力,其在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終保持不變。考慮到p1,p2為真空,將p0設(shè)定約為100 kPa,從而滿(mǎn)足常規(guī)流量計(jì)使用條件。當(dāng)p0,p1,p2,p3均不再變化,整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入動(dòng)態(tài)平衡,流經(jīng)V1與F1的流量相等,則流量計(jì)的讀數(shù)即為氣體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥V1的流量值。流量標(biāo)定系統(tǒng)的實(shí)物裝置如圖3所示。

　　基于上述標(biāo)定系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)時(shí)氣流溫度約20℃,并基本保持不變。試驗(yàn)獲得66個(gè)樣本,其中60個(gè)用于表達(dá)式系數(shù)的回歸分析,其余用作檢驗(yàn)回歸效果。用于非線性回歸的樣本數(shù)據(jù)列于表1中。