摘要:基于RS-232接口的自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì),添加了持續(xù)潤濕功能。采用皂液循環(huán)裝置(包括供液槽和溢流槽),利用供液槽橫截面積大、液位始終不變的特點(diǎn)，以及恒定供液槽液面與皂管出口間的高度差，確保皂液量基本不變(經(jīng)導(dǎo)液管內(nèi)的棉芯流到皂管內(nèi)壁)，保.持穩(wěn)定的潤濕效果。測(cè)定了上、下限光電傳感器間距離長(zhǎng)度變化條件下的氣體流量,皂管測(cè)量區(qū)間不同位置條件下的氣體流量,以及是否持續(xù)潤濕皂管條件下氣體的流量。氣體流量測(cè)量結(jié)果表明:隨著上、下限光電傳感器之間距離的增加，氣體流量測(cè)得值不斷減小;選取靠近皂管進(jìn)氣口方向相同距離測(cè)得的氣體流量較大,離進(jìn)氣口越遠(yuǎn),測(cè)量值越小;持續(xù)潤濕皂管內(nèi)壁可以保持氣體流量測(cè)得值的穩(wěn)定。
0引言
　　自產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)是一種能夠自動(dòng)產(chǎn)泡并且對(duì)氣體流量進(jìn)行連續(xù)計(jì)量的容積式流量計(jì)。皂膜流量計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)產(chǎn)泡前，主要用于微小氣量測(cè)量與檢定，遵循國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG586-2006年。無論是直讀式玻璃管皂膜流量計(jì)，還是電子皂膜流量計(jì)，在測(cè)量氣體流量時(shí)，一般少于10次。通過測(cè)量值的極差和極差系數(shù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，其精度等級(jí)最高可達(dá)0.5。同樣,JJG6332005號(hào)規(guī)定:采用鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)氣體容積式流量計(jì)進(jìn)行檢定時(shí),將重復(fù)測(cè)量次數(shù)擴(kuò)大到17次,精度等級(jí)為0.2。一些電子皂膜流量計(jì)4也按.上述規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。
　　持續(xù)潤濕自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)是在遵循以上國家標(biāo)準(zhǔn)的前提下,自行設(shè)計(jì)的一種自產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)，可以有效保證濕潤效果。本文針對(duì)皂膜流量計(jì)測(cè)量結(jié)果的各種影響因素,對(duì)自設(shè)計(jì)的持續(xù)潤濕自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)在被測(cè)氣量大小、皂液種類、皂液濃度、皂管粗細(xì)、上下限傳感器間有效距離長(zhǎng)短、測(cè)量區(qū)間位置、皂管是否持續(xù)潤濕等各方面的使用情況進(jìn)行系統(tǒng)化研.究,找出氣體流量變化規(guī)律5日,分析氣體流量變化的形成原因，為實(shí)際應(yīng)用者提供技術(shù)參考。
1持續(xù)潤濕自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)
　　持續(xù)潤濕自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)只的結(jié)構(gòu)包括自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)網(wǎng).(以下簡(jiǎn)稱流量計(jì))和皂液循環(huán)裝置兩部分。流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 
　　流量計(jì)的下部與。上部裝有下光電傳感器和上光電傳感器,用于對(duì)皂膜的起始與結(jié)束進(jìn)行檢測(cè)。有皂膜遮擋時(shí),傳感器產(chǎn)生3~5V高電平;無皂膜時(shí)，產(chǎn)生0~1V低電平恩，分別通過RS-232的第6引腳數(shù)據(jù)設(shè)置(datasetready,DSR)和第8引腳清除并發(fā)送(cleartosend,CTS)傳至.上位機(jī)。程序記錄皂.膜通過兩個(gè)傳感器的時(shí)間，獲得時(shí)間差。根據(jù)兩個(gè)傳.感器間皂管的體積,計(jì)算所測(cè)氣體的流量。皂膜通過下、上光電傳感器后，程序會(huì)啟動(dòng)超時(shí)限定，檢測(cè)皂膜中間破滅和溢出皂管破滅，能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過RS-232的第7根引腳RTS輸出高電平,通過電路板驅(qū).動(dòng)推拉式電磁鐵,使重錘下降浸入皂液中,皂管中液位上升。當(dāng)液位超過皂管進(jìn)氣口上沿位置時(shí),發(fā)送請(qǐng)求(requesttosend,RTS)輸出低電平,電磁鐵斷電,使重錘升起,皂管中液位下降。當(dāng)皂液下降至進(jìn)氣口.上沿時(shí),開始有皂泡產(chǎn)生。隨著液位的不斷下降,皂泡逐漸長(zhǎng)大,并沿皂管內(nèi)壁從皂液表面“剝離”,形成平行于液面的“皂膜”,在氣體的推動(dòng)下向上移動(dòng)。
　　圖1中的升降臺(tái)可以調(diào)節(jié)重錘一側(cè)皂液的高度，使初始液位與皂管進(jìn)氣口下沿平齊,保證重錘下降時(shí),液位上升能夠漫過進(jìn)氣口上沿。
　　皂液循環(huán)裝置主要由供液槽和溢流槽組成,供液槽橫截面積大,液位始終不變，從而保證供液槽液面與皂管出口間的高度差恒定。經(jīng)導(dǎo)液管內(nèi)的棉芯流到皂.管內(nèi)壁的皂液量基本不變,從而保持穩(wěn)定的潤濕效果。當(dāng)皂管內(nèi)的液位升高后,周期性下降的重錘會(huì)將多余的皂液通過溢流軟管排至溢流槽內(nèi)，從而形成一個(gè)控制皂管內(nèi)液位恒定的循環(huán)系統(tǒng)。因此，需要操作者通過滴管將溢流槽內(nèi)的皂液不斷移至供液槽,或通過微型泵自動(dòng)循環(huán)。
2試驗(yàn)研究
　　試驗(yàn)內(nèi)容:①改變測(cè)量區(qū)間長(zhǎng)度對(duì)氣體流量的影響;②改變測(cè)量區(qū)間位對(duì)氣體流量的影響;③是否持續(xù).潤濕對(duì)氣體流量的影響。
2.1試驗(yàn)條件
　　試驗(yàn)采用兩種規(guī)格皂管:一種為50mL,內(nèi)徑16mm,長(zhǎng)430mm;另一種為100mL,內(nèi)徑19mm,長(zhǎng)480mm。HGJLH509T型開關(guān)電源可將220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?~24V直流電,為電路板和推拉式電磁鐵供電。SRD05VDC-SL-C型繼電器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)電磁鐵.的開關(guān)控制。試驗(yàn)選取市售泡泡水配制皂液。
2.2試驗(yàn)過程
　　改變測(cè)量區(qū)間長(zhǎng)度試驗(yàn)選取50mL皂管,將下光電傳感器固定于皂管的0mL刻度線位置，上光電傳感器分別固定于10mL、15mL、20mL、35mL和45mL刻度線。試驗(yàn)前,按JJG586-2006規(guī)程對(duì)皂管進(jìn)行清洗，泡泡水和水按1:10比例配制為試驗(yàn)用皂液。將皂管內(nèi)壁用所配制皂液充分潤濕,然后固定于支架上,運(yùn)行程序,自動(dòng)收集數(shù)據(jù)。
　　改變測(cè)量區(qū)間位置試驗(yàn)選取100mL皂管,將下光電傳感器置于0mL刻度線,移動(dòng)上光電傳感器分別置.于20mL、40mL、60mL和80mL刻度線,稱為“20mL_自下而上”、“40mL_自下而上”、“60mL_自下而上”和“80mL_自下而上”。同理，將上光電傳感器置于100mL刻度線,以此為基線移動(dòng)下光電傳感器,分別置于80mL、60mL、40mL和20mL刻度線，稱為“20mL_自.上而下”、“40mL_.自上而下”、“60mL_自上而下”和“80mL_自上而下”。將泡泡水與水按1:1比例配成不同濃度皂液。
　　是否持續(xù)潤濕試驗(yàn)選取50mL皂管,將泡泡水與水按1:2、1:5和1:10比例配成不同濃度皂液。下光電傳感器置于0mL刻度線，上光電傳感器置于45mL刻度線。持續(xù)潤濕時(shí)保證供液槽內(nèi)液位高于皂管出口高度120mm,觀察皂管內(nèi)壁有液膜附著;非持續(xù)潤濕.是在試驗(yàn)初始時(shí)僅潤濕--次,在之后的連續(xù)測(cè)量過程中不再進(jìn)行潤濕。
3試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1測(cè)量區(qū)間長(zhǎng)度
　　針對(duì)相同氣源,改變測(cè)量區(qū)間長(zhǎng)度,得到對(duì)應(yīng)的氣、體流量對(duì)比曲線如圖2所示。
 
　　由圖2可以看出,每一條曲線都對(duì)應(yīng)兩種狀態(tài),一種是平衡狀態(tài),即時(shí)間足夠長(zhǎng),所測(cè)流量達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值,然后基本保持不變,在曲線中出現(xiàn)一“平臺(tái)”;另--種為過渡狀態(tài),即從開始測(cè)量到平衡狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài).變化過程,測(cè)量曲線中表現(xiàn)為“下坡”。測(cè)量區(qū)間越短，過渡狀態(tài)對(duì)應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng),這種變化趨勢(shì)越緩慢。由10mL和15mL曲線可以看出,這種緩慢變化出現(xiàn)的“階梯”現(xiàn)象,達(dá)到平衡狀態(tài)后，對(duì)應(yīng)的流量值較大。測(cè)量區(qū)間越長(zhǎng),過渡狀態(tài)經(jīng)歷的時(shí)間越短,曲線越陡，35mL和45mL曲線出現(xiàn)明顯的下滑態(tài)勢(shì),很快趨于平衡狀態(tài)。穩(wěn)定后對(duì)應(yīng)的測(cè)量值較小。同樣的氣源氣量,由于測(cè)量區(qū)間長(zhǎng)度的變化,會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定后的測(cè)量值出現(xiàn)誤差。
3.2測(cè)量區(qū)間位置
　　采用相同氣源,選取相同長(zhǎng)度測(cè)量區(qū)間,只是改變測(cè)量區(qū)間的位置,相當(dāng)于將上、下光電傳感器間的距離固定,沿皂管方向上下移動(dòng)，一種自上而下,另一種自下而上。不同測(cè)量區(qū)間位置氣體流量對(duì)比如圖3所示。各位置測(cè)得的流量值明顯不同。無論固定體積取多大,自下而上測(cè)量值都較大;反之,自上而下測(cè)量值普遍較小。由于本次試驗(yàn)采用的是100mL皂管,測(cè)量時(shí)間較短,并且泡泡水與水比例為1:1,對(duì)皂管的潤濕.性能較好，曲線基本保持“平臺(tái)”狀態(tài)。
 
3.3持續(xù)潤濕與初始潤濕.
　　持續(xù)濕潤與初潤條件下,氣體流量對(duì)比如圖4所示。
 
　　為了獲得持續(xù)穩(wěn)定的“平臺(tái)”式測(cè)量曲線,設(shè)計(jì)了持續(xù)潤濕與初始潤濕對(duì)比試驗(yàn)。采用不同濃度的泡泡.水皂液,對(duì)兩種工況進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于相同的皂液,持續(xù)潤濕自始至終都會(huì)保持相同的測(cè)量值,呈現(xiàn)一條水平直線,這與設(shè)計(jì)構(gòu)想相吻合。僅在初始時(shí)刻潤濕皂管,隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，測(cè)量值不斷下降,最后趨于一穩(wěn)定值,這與改變測(cè)量區(qū)間長(zhǎng)度結(jié)果一致。由此說明,連續(xù)測(cè)量沒有實(shí)現(xiàn)JJG586-2006所規(guī)定的獨(dú)立試驗(yàn)條件,每次試驗(yàn)都是在潤濕狀況發(fā)生變化的條件下進(jìn)行的,這是自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)面臨的最大問題。而消除辦法是采用持續(xù)潤濕,達(dá)到每次試驗(yàn)都相同的條件。當(dāng)皂液濃度不同時(shí)，向泡泡水中加入的水越多,初始潤濕后試驗(yàn)測(cè)得值很快便“下跌”至.平衡狀態(tài)穩(wěn)定值,說明水對(duì)皂膜的潤濕效果影響較大。
3.4結(jié)果分析
　　皂管內(nèi)壁不同潤濕工況及皂膜的受力分析如圖5所示。
 
　　皂液在皂管內(nèi)壁形成潤濕層的厚度與皂液性質(zhì)有關(guān)，即取決于皂液的潤濕角與表面張力。試驗(yàn)前,皂管被皂液潤濕后,內(nèi)壁自.上而下形成均勻的液膜,稱為潤濕層。隨著時(shí)間的延長(zhǎng):一方面被測(cè)氣體流經(jīng)皂管內(nèi)部時(shí)，會(huì)帶走內(nèi)壁液膜表層蒸汽分子,加快液膜的蒸發(fā)過程，導(dǎo)致液膜變薄,越靠近液面,蒸汽壓越大,內(nèi)壁潤濕性相對(duì)較好,離皂管口越近,被氣體帶走的皂液無法及時(shí)補(bǔ)充，最先出現(xiàn)潤濕層消失;另一方面,附著在內(nèi)壁的皂液由于自身重力的作用不斷下滑，導(dǎo)致靠近液面的潤濕層“堆積變厚”，而皂管上部被“拉薄”,雖然皂膜在上升過程中會(huì)以波浪式擠壓內(nèi)壁潤濕層向上移動(dòng),但由于間隔時(shí)間較長(zhǎng),這種效果并不顯著。“流動(dòng)氣體”與“自身重力”雙重作用導(dǎo)致在皂管上部最先出現(xiàn)潤濕層的萎縮,形成“片”狀的局部潤濕狀態(tài),稱為“半潤濕層”。時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)后,皂管上部沒有皂液補(bǔ)充,局部的液滴完全蒸發(fā)完畢，露出皂管內(nèi)壁,失去與皂液間的潤濕效果,稱為“干燥層”。
　　當(dāng)“皂泡”被進(jìn)入的氣體從皂液表面“剝離”形成“皂膜”后,在氣體的驅(qū)動(dòng)下,以“活塞”形式向上運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，皂膜較厚,如圖5所示，皂膜在潤濕層形成的軌道上滑動(dòng),將皂膜放大為“液柱”。液柱與潤濕層在上部和下部形成的潤濕角分別為上潤濕角θup1和下潤濕角θawnl。將液柱視為一個(gè)獨(dú)立研究對(duì)象,皂液對(duì)其向上與向下的表面張力作用大小相等,方向相反,相互抵消。當(dāng)皂膜進(jìn)入半潤濕層后，上潤濕角一邊與局部液滴作用,一邊與裸露的內(nèi)壁作用，形成的潤濕角θup2較大,向上的表面張力變小;而下潤濕角θdown2基本不變，向下的表面張力基本保持恒定,導(dǎo)致皂膜受到向上的合力減小,相當(dāng)于阻力增加，皂膜速度減慢。當(dāng)皂膜進(jìn)入干燥層后,由于缺少了潤濕層，下潤濕角θdown3增大，表面張力對(duì)皂膜向下的拉力減小;上潤濕角θup3由銳角增大到鈍角,表面張力方向由向上改為向下,即此時(shí)皂膜受到表面張力的合力方向向下，導(dǎo)致皂膜前進(jìn)的阻力進(jìn)一步增強(qiáng),皂膜速度更慢。
　　由以上分析可以看出,皂膜在潤濕層行進(jìn)時(shí)為初始平衡狀態(tài),在裸露皂管內(nèi)壁行進(jìn)為最終平衡狀態(tài),在半潤濕層為過渡狀態(tài)。
　　結(jié)合試驗(yàn)研究,在改變測(cè)量區(qū)間長(zhǎng)度和初始潤濕過程中,由于僅在測(cè)量前進(jìn)行一次性潤濕,后續(xù)沒有繼續(xù)保持潤濕的狀態(tài),皂膜經(jīng)歷了潤濕層、半潤濕層和干燥層.受到的行進(jìn)阻力不斷加大,因此,表現(xiàn)為皂膜速度逐漸降低。而持續(xù)潤濕試驗(yàn)說明,及時(shí)補(bǔ)加皂液能夠保護(hù)皂管內(nèi)壁潤濕層,皂膜可以在光滑膜層上無阻力運(yùn)動(dòng)，因此.測(cè)量值不僅穩(wěn)定,而且數(shù)值較大,驗(yàn)證了上述分析過程的正確性。此外，改變測(cè)量區(qū)間長(zhǎng)度時(shí),自下而上距離越短,潤濕層保存得越好,測(cè)量值越大;越往上,潤濕層越薄，出現(xiàn)斷裂破壞區(qū),測(cè)量值開始下降,并且數(shù)值減小。.
　　改變測(cè)量區(qū)間長(zhǎng)度時(shí),越靠近皂液液面,潤濕層越厚，皂膜所受阻力越小，測(cè)量值越大;越接近皂管出口，潤濕層越薄，皂膜受到阻力加大,皂膜速度變慢,測(cè)量值減小。因此，當(dāng)取相同測(cè)量區(qū)間長(zhǎng)度時(shí)，越靠近皂液.液面皂膜受到的阻力越小，測(cè)量值也越接近真實(shí)值,即.精度越高。
　　綜上分析可以看出，使用自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)測(cè)量氣體流量時(shí),影響測(cè)量值準(zhǔn)確性的因素較多。究其原因,主要是皂管內(nèi)壁形成潤濕層的情況。為了保證測(cè)晶物的生成。
⑤彎管流量傳感器采用法蘭連接，以便拆裝和對(duì)臟污介質(zhì)的清洗。
現(xiàn)場(chǎng)使用實(shí)踐表明，上述措施是有效的。
4.3超聲流量計(jì)在腐蝕性介質(zhì)中的應(yīng)用
　　外夾式超聲流量計(jì)在腐蝕性介質(zhì)流量測(cè)量中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。該流量計(jì)不與腐蝕性介質(zhì)直接接觸。但由于聲阻抗的約束條件，被測(cè)氣體的壓力必須高于一定值才能實(shí)現(xiàn)正常測(cè)量。例如GC868型外夾式超聲流量計(jì),被測(cè)氣體壓力一般需高于0.6mPa;而外夾式超聲流量計(jì)壓力一般應(yīng)高于0.4mPao
　　對(duì)于帶非金屬內(nèi)襯的管道,用超聲流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)介質(zhì)流量,儀表制造廠總是強(qiáng)調(diào)在內(nèi)襯與金屬管之間不能有氣隙。但是在實(shí)際的內(nèi)襯管,無法保證內(nèi)襯與金屬管之間完全沒有氣隙。
5結(jié)束語
　　在流量測(cè)量中,被測(cè)流體的復(fù)雜性、要求的多樣性和工況的特殊性為測(cè)量帶來了困難。但這些特點(diǎn)也推.動(dòng)了這門技術(shù)的發(fā)展。于是，流量計(jì)種類雖然已經(jīng)有.上百種,但每年仍有新型流量計(jì)問世。
　　標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)量程比不夠?qū)�，主要制約因素是量程低端差壓測(cè)量精確度。在原有差壓流量計(jì)的基礎(chǔ)上,增設(shè)一臺(tái)低量程差壓變送器，以提高量程低端的差壓測(cè)量精度,構(gòu)成雙量程差壓流量計(jì),從而大大拓寬量程比。
　　標(biāo)準(zhǔn)孔板不切斜角后就可測(cè)量雙向流量。在氣體和蒸汽的雙向流測(cè)量中,標(biāo)準(zhǔn)孔板雙向流量計(jì)具有優(yōu)越性。
　　在濕氣體流量測(cè)量中,孔板前積水、三閥組內(nèi)積水和差壓變送器高低壓室內(nèi)積水的現(xiàn)象普遍存在。，針對(duì)這三個(gè)問題作了改進(jìn)后的濕氣體流量計(jì),可靠性和精度大大提高。
　　強(qiáng)腐蝕、易結(jié)晶、低靜壓介質(zhì)的流量測(cè)量具有難度。采用新型氟塑料噴涂的彎管流量傳感器，配以吹氣和伴熱保溫等措施，能使問題得到解決。

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