一种基于称重原理的滴管式气体流量测量装置及方法

摘要

一种基于称重原理的滴管式气体流量测量装置及方法，装置包括电子称、储油槽、滴管、滴管支架、进气阀、微调阀、三通管及计算机，贮存有油液的储油槽置于电子称上，安装在滴管支架上的滴管下端管口位于油液液面下方，上端管口通过三通管与进气阀及微调阀连通，微调阀与被测对象连通；电子称与计算机相连，通过计算机记录和存储称重数据及对测量过程进行计时。方法步骤为：开启进气阀；调节微调阀使其内通过的气体流量满足被测对象进气要求；记录下初始称重读数；关闭进气阀；开始气体流量连续测量，实时记录下若干连续时间点，同时记录下各个时间点所对应的称重读数；当计算机判定需要停止测量时，开启进气阀，结束测量过程；计算出气体流量。

说明书

技术领域

本发明属于仪器仪表与真空测试技术领域，特别是涉及一种基于称重原理的滴管式气体 流量测量装置及方法。

背景技术

真空泵现已大量应用于机械、电子、冶金、核能、空间模拟等工业领域和科学技术研究 中，对于现代科技的发展和国民经济的建设都起着重要的作用。

真空泵的抽气速率通常作为其型号标识，抽气速率也作为真空泵最为关键的技术指标， 而抽气速率的测量，也是作为真空泵出厂检验和指标测定的必测项目，为此还专门制定有相 关的国家标准和国际标准。例如：《GB/T19955.1-2005蒸汽流真空性能测量方法第1部分： 体积流率(抽速)的测量》及《GB/T19956.1-2005容积真空泵性能测量方法第1部分：体 积流率(抽速)的测量》等。在上述国家标准中规定了真空泵的抽气速率测量方法，并公开 了真空泵的抽气速率测量基本原理，其原理为：将被测真空泵的入口与标准测试罩相连，然 后调节流向标准测试罩的气体流量Q，并使标准测试罩内的气体压力达到稳定平衡，再通过 精确测量气体流量Q和气体压力p，经过公式S＝Q/p计算得到在气体压力p下的抽气速率S (体积流率)。

可见，只有保证了气体流量测量的精准性，才能保证抽气速率的准确性。但是，在真空 泵(特别是高真空泵)的抽气速率测量过程中，总会不可避免的遇到微小气体流量的测量问 题，此时，真空行业应用最为普遍的是真空滴管式气体流量测量装置及方法，在原机械行业 标准《JB/T8472.1-1996蒸汽流真空泵性能测定第1部分：抽气速率(体积流量)的测定》 中，明确推荐了滴管式气体流量测量装置，并在附录A中给出了滴管式气体流量测量装置的 结构组成、计算公式和滴管选择方法，而在后续的等同于国际标准的新国标中已不再推荐测 量方法。

目前，真空行业也有采用气体质量流量计作为测量手段，但是，气体质量流量计属于间 接式相对测量，测量精度误差无法直接估算，且需要定期由权威部门检测标定，这会给使用 单位带来极大不便。再有，通过气体质量流量计获取的测量结果数据也不能作为权威数据公 开发表，其只能用于内部参考。因此，真空行业依然习惯于采用传统的真空滴管式气体流量 测量装置与方法。

对于传统的真空滴管式气体流量测量装置及方法，在实际应用过程中仍然存在以下不足 之处：

①人工手动作业的环节过多，产生的测量误差较大；

对于每一组参数的测量，都需要测量人员二次目测观察滴管中的液位高度，并手动按下 计时器，即使测量人员经过训练并具有良好的业务能力，手动操作环节依然是测量误差产生 的最主要来源。

在专利号为ZL200910012545.3的中国专利中，虽然提出了采用光电液位开关代替人工目 测的方式，借此来判断液位到达设定高度的时间，但是，受到液位开关安装位置不宜调节的 限制，测量真空泵在不同压力下的抽气速率时，很难保证测量时间间隔恰好处于高精度状态， 而且在更换不同直径的滴管时操作困难，且常常带来液位开关设定高度的新误差。

②只能测量计时间隔时间内的平均气体流量，不能反映该期间内的气体流量瞬时变化；

通过测量公式计算得到的，只是二次读数时间间隔内的气体平均流量，因此，无法体现 该时间段内的气体流量瞬时变化。由于上述原因，在测量真空泵每一压力点下的抽气速率前， 都需要维持足够长的时间以确保标准测试罩内的压力达到稳定平衡，导致的后果就是测量效 率的低下。而对于因滴管内气体压力降低导致的气体流量变化，只能作为原理性误差被忽略。

③所使用的透明玻璃滴管存在原始测量误差；

首先，制作滴管的玻璃管内径无法通过严格加工保证其尺寸一致性，只能通过刻画刻度 线来标定容积示数，导致读数精度受到限制。其次，在测量微小气体流量时，所使用的细径 滴管存在严重的毛细现象，这对液位的提升具有很大的压下量，从而产生一项无法定量估测 的误差。

由于传统的真空滴管式气体流量测量装置及方法存在上述不足，给真空行业带来了很大 的不便，真空行业迫切需要一种全新的气体流量测量装置及方法，其能够方便快捷且准确可 靠的测量气体流量，特别是测量微小气体流量。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于称重原理的滴管式气体流量测量装置及 方法，其测量功能能够严格满足原机械行业标准(JB/T8472.1-1996)及新国标暨国际标准 (GB/T19955.1-2005/ISO/T8472.1-1996)中的规定，可以代替传统的真空滴管式气体流量测 量装置及方法，并有效完成真空泵抽气速率(体积流量)性能参数的测量，且对于其他行业 中的微小气体流量的测量同样适用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于称重原理的滴管式气体流量测 量装置，包括电子称、储油槽、滴管、滴管支架、进气阀、微调阀、三通管及计算机，所述 储油槽放置于电子称上，在储油槽内贮存有油液；所述滴管竖直安装在滴管支架上，滴管下 端管口位于储油槽中油液液面下方，且滴管管体与储油槽无接触；所述滴管上端管口与三通 管的第一管口相连通，三通管的第二管口与进气阀的出气口相连通，进气阀的进气口与大气 相通；所述三通管的第三管口与微调阀的进气口相连通，微调阀的出气口与被测对象的进气 口相连通；所述电子称的信号输出端与计算机相连，通过计算机对电子称输出的称重数据进 行实时记录和存储，且通过计算机对测量过程进行计时。

所述进气阀及微调阀采用手动控制或自动控制，当采用自动控制时，进气阀的开启与关 闭、微调阀的出气流量调节均通过计算机进行控制。

所述储油槽在竖直方向上为等横截面。

所述储油槽采用轻质材料制成。

所述滴管采用非透明材料制造，且滴管内孔为等横截面孔。

一种基于称重原理的滴管式气体流量测量方法，采用了所述的基于称重原理的滴管式气 体流量测量装置，包括如下步骤：

步骤一：控制进气阀开启，同时将微调阀的出气口与被测对象的进气口相连通；

步骤二：对微调阀进行调节，使微调阀内通过的气体流量满足被测对象的进气要求；

步骤三：通过计算机记录下电子称此刻的称重读数，该称重读数为初始称重读数；

步骤四：控制进气阀关闭，开始气体流量的连续测量，测量过程中，在计算机中实时记 录下若干连续的时间点，同时记录下各个时间点所对应的电子称的称重读数；

步骤五：当计算机判定需要停止测量时，控制进气阀开启，结束本次测量过程；

步骤六：在计算机中计算出计时时间段内的气体流量，气体流量计算公式为：

$q=\frac{(W_i-W_{i+n})[p_{a}a+\rho g(1+a/A)V_0-g(2W_0-W_i-W_{i+n}\left)\right]}{\rho a(1+a/A)(t_{i+n}-t_i)}$

式中，q为计时时间段内的气体流量，W_i为计时时间段初始时刻电子称的称重读数，W_i+n为计时时间段结束时刻电子称的称重读数，p_a为当地大气压力，a为滴管的内孔横截面积，ρ 为油液密度，g为当地重力加速度，A为储油槽与滴管管体的横截面积之差，V₀为滴管内初 始油液液面至微调阀进气口处的管内总容积，W₀为电子称的初始称重读数，t_i为计时时间段 初始时刻，t_i+n为计时时间段结束时刻；其中，W_i、W_i+n、t_i及t_i+n中的i＝1、2、3···，n＝1、 2、3···；

步骤七：当需要进行多次测量时，重复步骤二至步骤六。

计算机判定测量需要停止的条件有如下两个：

①当被测对象的进气要求完成时；

②当油液在滴管中上升的高度达到或超过设定的油液许用高度时。

通过计算机判定油液在滴管中上升的高度达到或超过设定的油液许用高度，其判定依据 为如下条件式：

W≤W₀-ρaL(1＋a/A)

式中，W为电子称的实时称重读数，W₀为电子称的初始称重读数，ρ为油液密度，a为 滴管的内孔横截面积，L为油液许用高度，A为储油槽与滴管管体的横截面积之差。

本发明的有益效果：

(一)本发明具备了气体流量自动化测量能力

本发明首次将“称重原理”引入滴管式气体流量测量中，测量过程中可以完全没有人工 手动作业环节，有效避免了测量误差的产生；当本发明应用于实际的真空泵抽速性能测量时， 电子称的称重读数、测量过程的计时及标准测试罩内的压力读数，均可直接由计算机自动记 录和存储，因而使本发明具备了气体流量自动化测量能力。

(二)本发明具备了瞬时流量测量能力

本发明的计时作业完全由计算机完成，与传统的人工读数方式相比，在读数时间间隔上 实现了极大缩短；再有，对于传统方式只能测量很长计时间隔时间内的平均气体流量而言， 而本发明却可以测量极短间隔时间内的气体流量，而该气体流量可以十分接近读数时间点时 的瞬时流量，这使得本发明可以适用于气体流量随时间有变化的场合，从而扩大了本发明的 使用范围；当本发明应用于真空泵抽速测量时，还可有效放宽传统方式中对真空泵抽速必须 在某一压力点附近达到稳定平衡的苛刻条件，极大缩短了测量时间；与传统人工读数方式只 能获得离散式数据相比，本发明可以获得连续式数据，进而能够绘制出抽速曲线。

(三)本发明可以采用非透明材料制造的滴管

本发明通过引入“称重原理”，有效扩大了滴管制造材料的适用范围，对于传统方式中只 能选用透明玻璃材质的滴管而言，由于本发明无需再进行目测操作，只需通过称重方式即可 满足测量需要，因此，滴管可以选用钢材制造，由于钢材具有的材料特性，其具备精密加工 的能力，可以极大提高滴管内孔的加工精度，通过精密加工方式制造的钢质滴管，其内孔尺 寸误差要远远小于传统的透明玻璃滴管。

(四)本发明可以有效规避过细管径滴管的毛细压下现象

由于本发明的滴管具有极高的内孔尺寸精度，滴管的内孔横截面积对测量精度几乎没有 影响，因此，在进行微小气体流量测量时，无需选择过细管径的滴管就可满足测量需要，进 而有效规避了过细管径滴管的毛细压下现象，从而避免了因毛细压下现象产生的测量误差； 再有，测量中也不必因流量不同而经常更换不同规格孔径的滴管了，因此有效简化了测量流 程，也有效减轻了人工劳动强度。

附图说明

图1为本发明的一种基于称重原理的滴管式气体流量测量装置的结构原理图；

图2为实施例中采用本发明搭建的蒸汽流真空泵抽速性能自动测量系统的结构原理图；

图中，1—电子称，2—储油槽，3—滴管，4—滴管支架，5—进气阀，6—微调阀，7—三 通管，8—计算机，9—油液，10—蒸汽流真空泵，11—标准测试罩，12—前级机械泵，13— 前级管路，14—真空规。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种基于称重原理的滴管式气体流量测量装置，包括电子称1、储油槽2、 滴管3、滴管支架4、进气阀5、微调阀6、三通管7及计算机8，所述储油槽2放置于电子 称1上，在储油槽2内贮存有油液9；所述滴管3竖直安装在滴管支架4上，滴管3下端管 口位于储油槽2中油液9液面下方，且滴管3管体与储油槽2无接触；所述滴管3上端管口 与三通管7的第一管口相连通，三通管7的第二管口与进气阀5的出气口相连通，进气阀5 的进气口与大气相通；所述三通管7的第三管口与微调阀6的进气口相连通，微调阀6的出 气口与被测对象的进气口相连通；所述电子称1的信号输出端与计算机8相连，通过计算机 8对电子称1输出的称重数据进行实时记录和存储，且通过计算机8对测量过程进行计时。

所述进气阀5及微调阀6采用手动控制或自动控制，当采用自动控制时，进气阀5的开 启与关闭、微调阀6的出气流量调节均通过计算机8进行控制。

所述储油槽2在竖直方向上为等横截面。

为了减小电子称1的总承重量，所述储油槽2采用PVC塑料材料制成。

为了避免透明玻璃滴管存在原始测量误差，所述滴管3采用钢质材料制造，且滴管3内 孔为等横截面孔。

一种基于称重原理的滴管式气体流量测量方法，采用了所述的基于称重原理的滴管式气 体流量测量装置，包括如下步骤：

步骤一：控制进气阀5开启，同时将微调阀6的出气口与被测对象的进气口相连通；

步骤二：对微调阀6进行调节，使微调阀6内通过的气体流量满足被测对象的进气要求；

步骤三：通过计算机8记录下电子称1此刻的称重读数，该称重读数为初始称重读数；

步骤四：控制进气阀5关闭，开始气体流量的连续测量，测量过程中，在计算机8中实 时记录下若干连续的时间点，同时记录下各个时间点所对应的电子称1的称重读数；

步骤五：当计算机8判定需要停止测量时，控制进气阀5开启，结束本次测量过程；其 中，计算机8判定测量需要停止的条件有如下两个：

①当被测对象的进气要求完成时；

②当油液9在滴管3中上升的高度达到或超过设定的油液许用高度时；其中，通过计算 机8判定油液9在滴管3中上升的高度达到或超过设定的油液许用高度，其判定依据为如下 条件式：

W≤W₀-ρaL(1+a/A)

式中，W为电子称的实时称重读数，W₀为电子称的初始称重读数，ρ为油液密度，a为 滴管的内孔横截面积，L为油液许用高度，A为储油槽与滴管管体的横截面积之差；

步骤六：在计算机8中计算出计时时间段内的气体流量，气体流量计算公式为：

$q=\frac{(W_i-W_{i+n})[p_{a}a+\rho g(1+a/A)V_0-g(2W_0-W_i-W_{i+n}\left)\right]}{\rho a(1+a/A)(t_{i+n}-t_i)}$

式中，q为计时时间段内的气体流量，W_i为计时时间段初始时刻电子称的称重读数，W_i+n为计时时间段结束时刻电子称的称重读数，p_a为当地大气压力，a为滴管的内孔横截面积，ρ 为油液密度，g为当地重力加速度，A为储油槽与滴管管体的横截面积之差，V₀为滴管内初 始油液液面至微调阀进气口处的管内总容积，W₀为电子称的初始称重读数，t_i为计时时间段 初始时刻，t_i+n为计时时间段结束时刻；其中，W_i、W_i+n、t_i及t_i+n中的i＝1、2、3···，n＝1、 2、3···；

步骤七：当需要进行多次测量时，重复步骤二至步骤六。

下面将采用本发明的测量装置搭建一个蒸汽流真空泵抽速性能自动测量系统的实施例， 在测量系统搭建前，需要准备测试用的蒸汽流真空泵10、标准测试罩11、前级机械泵12及 前级管路13，在标准测试罩11上安装有真空规14，而上述部件的结构及参数的确定，完全 按照国家标准《GB/T19955.1-2005蒸汽流真空性能测量方法第1部分：体积流率(抽速) 的测量》中的规定执行。如图2所示，蒸汽流真空泵抽速性能自动测量系统完成搭建后，即 可开始进行测量作业。

测量前的准备阶段：首先按照国家标准《GB/T19955.1-2005蒸汽流真空性能测量方法第 1部分：体积流率(抽速)的测量》规定的作业方法与步骤，在微调阀6完全关闭的条件下， 依次启动前级机械泵12和蒸汽流真空泵10，使前级机械泵12和蒸汽流真空泵10均达到稳 定工作状态。

测量前的压力调试阶段：首先确定需要开展抽速测量的蒸汽流真空泵10入口压力范围， 在进气阀5开启的条件下，通过计算机8控制微调阀6开启，使标准测试罩11中的气体平衡 压力由低至高的接近每一点的测试压力值，具体操作步骤为：对应某一点设定的入口压力， 计算机8通过真空规14读取标准测试罩11内的实际平衡压力值，并与设定的入口压力值相 比较，如果实际平衡压力值高于入口压力值，则计算机8控制微调阀6减小其阀门开度，使 微调阀6内通过的气体流量减小，从而使标准测试罩11内的实际平衡压力降低；反之，如果 实际平衡压力值低于入口压力值，则计算机8控制微调阀6增大其阀门开度，使微调阀6内 通过的气体流量增大，从而使标准测试罩11内的实际平衡压力升高；如此反复进行，直至标 准测试罩11内实际平衡压力与设定的入口压力之间的接近程度达到许可值，最终完成气体流 量和平衡压力的调节作业。

测量阶段：首先通过计算机8记录下电子称1此刻的初始称重读数，在通过计算机8控 制进气阀5关闭，开始气体流量的连续测量，测量过程中，在计算机8中实时记录下若干连 续的时间点，同时记录下各个时间点所对应的电子称1的称重读数，以及记录下真空规14测 定的标准测试罩11内的压力读数，当计算机8判定需要停止测量时(判断条件有两个：①真 空规14测定的标准测试罩11内的压力读数与设定的入口压力之间的偏差超出许可值；②当 油液9在滴管3中上升的高度达到或超过设定的油液许用高度时)，控制进气阀5开启，结束 本次测量过程。

结果计算阶段：首先通过计算机8自动计算出的气体流量q，再结合真空规14测定的气 体压力p，最后经过公式S＝q/p即可计算得蒸汽流真空泵10的抽气速率S。

重复测量阶段，完成剩余点设定的入口压力下的气体流量测量，并计算出剩余点设定的 入口压力下的蒸汽流真空泵10的抽气速率S。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施 或变更，均包含于本案的专利范围中。