气体流量测定与流量计标定.doc

实验二 气体流量测定与流量计标定

一、实验目的
气体属于可压缩流体。气体流量的测量，虽然有一些与用于不可压缩流体相同的测量仪表但也有不少专用于气体的测量仪表，在测量方法和检定方法上也有一些特殊之处。显然，气体流量的测量与液体一样，在工业生产上和科学研究中，都是十分重要的。尤其是在近代，工业生产规摸的大型化和科学实验的微型化，往往这些流量、温度、压力等的检测仪表就成为关键问题。
目前，工业用有LZB系列转子流量计，实验室用有LZW系列微型转子流量计，可供选用。对于市售定型仪表，若流体种类和使用条件都按照规格规定，则读出刻度就能知道流量。但从精度上考虑，仍有必要重新进行校正。转子流量计自制是有困难的，因锥形玻璃管的锥度手工难于制作。但是，在科学研究中或其它某种场合，有时，不免还要根据某种特殊需要，创制一些新型测量仪表和自制一些简易的流量计。不论是市售的标准系列产品还是自制的简易仪表，使用前，尤其是使用一段时间后，都需要进行校正，这样才能保证计量的准确、可靠。
气体流量计的标定，一般采用容积法，用标准容量瓶量体积，或者用校准过的流量计作比较标定。在实验室里，一般采用湿式气体流量计作为标准计量器。它属于容积式仪表，事先应经标准容量瓶校准。实验用的湿式流量计的额定流量，一般有0.2m3·h—1和0.5m3·h—1两种。若要标定更大流量的仪表，一般采用气柜计量体积。实验室往往又需用微型流量计，现时一般采用皂膜流量计来标定。
本实验采用标准系列中的转子流量计和自制的毛细管流量计来测量空气流量。并用经标准容量瓶直接校准好的湿式流量作为标准，用比较法对上述两种流量计进行检定，标定出流量曲线.，对毛细管流量计标定。通过本实验学习气体流量的测量方法，以及气体流量计的原理、使用方法和检定方法。同时，这些知识和实验方法对学习者在进行以下各项实验时，肯定会有帮助，尤其时对今后所从事的各种实验研究工作，也是有益处的。
二、实验原理
1．湿式气体流量计
该仪器属于容积式流量计。它是实验室常用的一种仪器，其构造主要由圆鼓形壳体、转鼓及传动记数机构所组成，如图1所示。转鼓是由圆筒及四个弯曲形状的叶片所构成。四个叶片构成四个体积相等的小室。转鼓的下半部浸没在水中。充水量由水位器指示。气体从背部中间的进气管9处依次进入一室，并相继由顶部排出时，迫使转鼓转动。由转动的次数，通过记数机构，在表盘上计数器和指针显示体积。它配合秒表工作时，可直接测定气体流量。
图1 湿式流量计结构简图
1—温度计；2—压差计；3—水平仪；4—排气管；5—转鼓；6—壳体；7—水位仪；8—可调支脚；9—进气管
工作时，依图1位置所示，气体由进气管进入，B室正在进气，C室开始进气，而D室排气将尽，湿气气体流量计可直接用于测量气体流量，也可用来作标准仪器以检定其他流量计。
湿式气体流量计一般用标准容量瓶进行校准。标准容量瓶的体积为VV。湿式气体流量计体积示值为VW，则两者差值△V为：
△V=Vv —Vw （2—1）
当流量计指针旋转一周时，刻度盘上总体积为5升，一般配置1升容量瓶进行5次校准，流量计总体积示值为∑Vw，则平均校正系数为：
（2—2）
因此，经校准后，湿式气体流量计的实际体积流量为VS与流量计示值VS’之间的关系为：
（2—3）
2．转子流量计
转子流量计的构造原理如图2所示。它是由一根垂直的略显锥形的玻璃管和转子或称浮子）组成。锥形玻璃管截面积由上而下逐渐缩小。流体由下而上流过，由转子的位置决定流体的流量。
转子流量计与孔板流量计虽都以节流作用为依据，但孔板流量计是截面积不变，流量与压强差呈比例；而转子流量计则是压强差不变，流量与环隙截面积大小（即随转子位置而变）成比例。在一定流量下，当转子上下产生的压力差与转子的净重（重量-浮力）相平衡时，转子就停留在一定位置上。
（2—4）
式中VR——转子的体积，m3；
AR——转子的最大截面积，m2；
——转子的密度，kg/m3；
图2 转子流量计
——流体的密度，kg/m3；
当转子停留在一定位置时，转子与玻璃管间环隙面积是一定值，流速与静压强差的关系，与通过孔板流量计孔口时的情况是相似的。因此，可依照孔板流量计的流量公式写出：

（2—5）
式中——流体的体积流量，m3/s；
——转子上下间流体的压强差，Pa；
——被测流体的密度，kg/m3；
SR——转子与玻璃管环隙的截面积，m2；
CR——转子流量计的流量系数，与转子的形状以及流体通过环隙的Re数有关。其具体数值由实验测定。
由上述原理可知，式中环隙截面积SR随流量而改变，而SR的大小也就表示转子位置的高低。因此，流量与转子位置保持一定关系。但式中△p是不随流量而改变的，只是与转子的净重量有关。
标定气体流量计时，一般采用空气作为标定介质，标定温度为20℃，压力为760mmHg。当实际测量时，气体种类、温度和压力与标定时可能不同，这就需要进行换算。
若被测气体只是温度和压力改变，则可按下式换算：
（2—6）
式中——被测气体流量，m3/s；
——标定气体流量，m3/s；
p1，T1——标定时的压力，Pa，和温度，K；
p2，T2——被测定时气体的压力，Pa，和温度K。
当被测气体种类改变时，而粘度与标定介质相近，流量系数CR可视为常数，则可按下式换算：
（2—7）
式中——标定气体的密度，kg/m3；
——被测气体的密度，kg/m3。
3．毛细管流量计
毛细管流量计用于实验室里测量小流量的气体，较为方便。它是利用流体通过一小段毛细管，因阻力产生压强降。测压采用一种特殊装置，可防止指示剂被冲走，其构造如图3所示。根据测量范围，只要更换毛细管的粗细与长短就可以了。一般采用水作为测压管的指示液。
毛细管流量计的构造原理，与孔板流量计类似。因此，亦可依照孔板流量计列出流量公式：

（2—8）
式中CP——毛细管流量计流量系数；
Sp——毛细管截面积，m2；
图3 毛细管流量计
——指示液的密度，kg/m3。
实验室里，为了简便，通常将自制的毛细管流量计经过直接标定，绘制成流量qV与测压管液柱高度R之间的关系曲线。
三、实验装置和流程
这套装置分两部分：一部分是标准容量瓶校准湿式气体流量计，装置主要部分是标准容量瓶（1000mL）、平衡瓶和湿式气体流量计，如图4所示。
图4 湿式流量计校正的实验装置
1—湿式流量计；2—平衡瓶；3—标准容量瓶；4—三通阀
另一部分是用湿式气体流量计分别标定转子流量计和毛细管流量计。装置主要部分是气源、缓冲罐和湿式气体流量计，在中间并联连接转子和毛细管两种流量计。具体装置流程如图5所示。

图5 流量计校正和标定流程图
1—湿式气体流量计；2—毛细管流量计；3—转子流量计；
4—三通旋塞；5—缓冲罐；6—气源
主要设备及仪表参考规格
(1) 气源：流量3.6m3/h 1台
(2) 湿式气体流量计：额定流量0.5m3/h 1台

(3) 玻璃转子流量计：LZB-6 1台
(4) 毛细管流量计： 1台
(5) 标准容量瓶： 1个
四、实验方法
1．湿式气体流量计的校准
检查三通阀的通向，使容量瓶与大气相通，而与湿式流量计断开。
调正湿式流量计的水平：转动支脚螺丝，直至水平仪内气泡居中为准。
向流量计内注入蒸馏水，其水位高低必须保持水位器中液面与针尖重合。
平衡瓶内注入蒸馏水后，提高其位置，向容量瓶内注水，使水面与上刻度线重合。
这时，便可开始校正试验。先转动三通旋塞，使容量瓶与湿式流量计接通，缓慢放下平衡瓶，使容量瓶内液面与下刻度线一齐，气体体积恰好为一升，然后记下流量计的体积示数、温度和压力。
湿式流量计指针旋转一圈为5升，故需依次对每一升重复上述操作一次，共作5组数据，求得其平均校正系数。
2．转子流量计的校检
先将缓冲罐上的放空阀完全打开，同时关闭出气阀，然后才能启动气源。
待气源运行正常后，再将三通阀旋至与转子流量计系统相通。缓慢的调节放空阀，使气体流量调到所需要数值。湿式流量计运转数周后，便可开始测定。读取转子流量计示数，用秒表和湿式流量计测量流量值。
在转子流量计测量范围内，测取5—6组数据。
3．毛细管流量计的标定
毛细管流量计的校检流程与转子流量计是并联的，因此，实验方法完全相同。这里不再重述。根据湿式流量计和秒表计数所求流量给毛细管流量标记刻度。
在实验过程中，应注意下列事项：
（1）在实验过程中，要经常注意湿式气体流量计的水位器和水平仪，不符合要求时要随时调整，以保证测量准确。
（2）校验气体流量计时，因为校准介质是可压缩流体，所以校准时的温度和压力一定要记准，切勿疏忽。
（3）气源为容积式设备，在启动前一定要打开放空阀，并用其来调节进入设备的气体流量。
（4）管道连接一定要严密，切勿有泄露之处，否则测量准确度成问题。
（5）实验测定时，可用从小流量到大流量，再从大到小，两次数据取其平均值。
五、实验结果整理
1．湿式气体流量计校准数据
实验序号
容量瓶体积真值VV /m3
温度
t/℃
压力
p/kPa
流量计体积示值
Vw/m3
体积修正值
DV=VV —Vw
1

2

3

4

5

平均修正系数=
2．转子流量计校准数据
实验序号
转子流量计示值
/m3
温度
t/℃
压力
p/kPa
流动时间
t /s
湿式流量计示值 Vw/m3
实际体积流量m3/s
1

2

3

4

5

6

平均修正系数=

3．毛细管流量计校准数据
实验序号
毛细管流量计示值
/m3
温度
t/℃
压力
p/kPa
流动时间
t /s
湿式流量计示值 Vw/m3
实际体积流量m3/s
1

2

3

4

5

6

平均修正系数=
六、实验结果讨论
1．通过实验，分析这三种测气体的流量计各有什么特点？在使用上都应注意哪些事项？
2．试推导气体流量换算公式，并举一实例，改变气体种类温度或压力换算之。
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