帕表（层流）流量计

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帕表（层流）流量计

黑龙江省知识产权局    计重远

  帕表是一种测量流体微差压的仪表， 它是由一个叶轮和一个弹簧游丝组成，叶轮和游丝都安装在同一个轴上，流体流经帕表时作用在叶轮上的流体力通过此轴和游丝的弹簧力平衡来测出流体力的大小，这里弹簧力的大小是通过指针旋转角度大小来表示，因此此旋转的角度大小就可以用来表示作用在叶轮上流体力的大小。由于作用在叶轮上的流体力等于作用在帕表两端流体压差乘以帕表的口径，有了流体力的大小以及帕表的口径就可以求得帕表两端所测流体的压差值。这就是作为测量流体差压仪表的基本工作原理。由于帕表中弹簧游丝的刚度是可以选择的，当所选游丝的刚度很小时帕表所测的压差值可以很小，使帕表可以成为一种测量流体微差压的仪表。和通常测量微差的膜盒式仪表相比，帕表最大的特点是测量时流体是需要通过帕表本身，对流体来说测量时帕表本身就是一个流阻体，它具有一定的流阻值。若测量前可以测得此流阻值，此帕表就可以用来测量此流体流过帕表的流量大小，成为测量此流体的流量计。作为微差压表，帕表中影响其性能最重要的参数是弹簧游丝的刚度和帕表的口径。这是因为用帕表测量差压时，差压形成的流体力等于差压乘以帕表管路的截面积，而作用在叶轮上的流体力又等于弹簧游丝的弹簧力，若游丝的弹性系数为k，帕表指针的最大转角为file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps69C2.tmp.png，则帕表可测量的最大流体力是：file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps69D3.tmp.png，也就是其可测量的最大差压值是：file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps69D4.tmp.png，式中file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps69D5.tmp.png是帕表的口径。以一个口径为1.5cm的帕表来说，若选用file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps69E6.tmp.png=100mg的游丝，此时的帕表所测量微差压的范围将是0～5file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps69E7.tmp.png。如果选用的游丝的刚度更小，则所制作的帕表将可以测量出更小的差压值。对于不同口径的帕表差压的测量范围也不相同，口径愈大所可测量的差压值愈小。若同样选用file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps69E8.tmp.png=100mg的游丝，对口径为file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps69E9.tmp.png=2.5cm的帕表来说它的测量范围将是0～2file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps69F9.tmp.png。帕表是一种多功能的仪表，例如由于其可以测量很微小的差压因此在节流流量计中可以作为测量差压的仪表等等得到应用，这里我们将讨论它的另一个应用，就是用于层流流量计中作为差压传感器之用。通常的层流流量计是由层流流量传感器和差压传感器两部分组成，气体在层流状态下在管道内流动时，它的流量Q和它在流动中所产生的差压file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps69FA.tmp.png是成正比的，因此通过差压传感器所测得的差压值就可以推算得管路中气体流过的流量，用式子来表示有：

      file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps69FB.tmp.png                                                        （1）

其中系数file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps69FC.tmp.png在园管时可表示为：

     file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps69FD.tmp.png                                                         （2）

式中：file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A0E.tmp.png为气体的动力粘度，单位为file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A0F.tmp.pngs

      l为管道的长度，单位为cm

      d为管道的直径，单位为cm

在实际的测定中d是一个很小的值，因此file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A10.tmp.png的大小很难精确地确定，目前基本上是采用标定法来确定file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A11.tmp.png的大小。在用标定法所生产的层流流量计中，组成层流元件的是一组平行的毛细管，根据标定法的要求，对毛细管的形状、直径以及数量均沒有严格的要求，需要的是通过层流管的气体是处于层流状态，也就是在各种流量下的流阻系数是常量，这也就要求这些毛细管的管径要足够的细以保证所流过的流体都能处于层流状态。用标定法生产的层流流量计其生产工艺是很严格很复杂的，需要一个一个地测定，不利于成批量生产。此外，标定法生产的层流流量计通常是通用型层流流量计，只需根据所测气体的粘度和密度进行修正就可以使用在各种不同的气体上，这样根据层流的要求，气体的运动粘度愈小，要求所用的层流流量计中的层流管直径愈小，若以此气体的要求选出的直径对其他气体来说都会是显得太小，从而使得所能测量的流量范围变小，对测量並不有利。本文将介绍一种新的层流流量计和通常的层流流量计的不同处是在新的流量计中层流流量传器中的差压是用帕表来测定的，因此这一新的层流流量计可以称之为帕表层流流量计。根据帕表的工作原理，帕表两端的差压乘以帕表管道的内径得到作用在帕表内的一个叶轮上的力与一游丝的弹簧力平衡，通过指针转动的角度来显示出差压的大小，用公式可表示成：

       file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A12.tmp.png                                                  （3）

式中：file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A13.tmp.png为換算系数，单位是mg/pa.file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A14.tmp.png，这里取file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A24.tmp.png

      file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A25.tmp.png为帕表的內径，单位是cm

      k为游丝弹簧的弹簧系数，单位是mg/。

      file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A26.tmp.png为指针的转角，单位是（。）

因此在层流流量传感器所测得差压值可用帕表指针的转角file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A27.tmp.png的大小来表示，从而流过层流流量计气体的流量大小也可以从转角file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A28.tmp.png的大小来求得。式（3）可以写成：

      file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A29.tmp.png                                                      （4）

将式（2）、式（4）代入式（1）中可以求得：

      file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A3A.tmp.png                                                 （5）

由于帕表的內径和层流元件中层流管的直径都可以设定，故设file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A3B.tmp.png，其中file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A3C.tmp.png的值可以根据需要来确定。则有：

      file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A3D.tmp.png                                                        （6）

由式（6）可以看出流量是和转角成线性关系，而其系数则和层流管的直径平方成正比。此外气体在管路中流动的雷诺数file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A3E.tmp.png可以由下式来计算：

       file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A3F.tmp.png                                                          （7）

气体要保持其流动均处于层流流动状态，则要其雷诺数小于临界雷诺数file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A40.tmp.png=2300，也就是要求在最大流量时它的雷诺数必须小于或等于临界雷诺数。故有：

       file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A51.tmp.png                                                       （8）

测量时当file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A52.tmp.png时有file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A53.tmp.png，代入式（6）可得

       file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A54.tmp.png

整理可得：

       file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A55.tmp.png                                                   

即     file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A56.tmp.png                                                   （9）                                                     

从式（9）可以看出对于给定的帕表其游丝的弹性系数k是已知的，当确定要测量的气体品种时气体的粘度file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A57.tmp.png以及密度file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A67.tmp.png都可已知，而式中的file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A68.tmp.png、file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A69.tmp.png以及file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A6A.tmp.png均为已知常数，若给定层流管的长度l后就可以算出层流管的直径d。有了d、l，根据式（6）就可以算得每根层流管对应指针转角所对应的流量值若设层流管的根数为n，则流量计总的流量值可以根据仪表的指针的转角大小来确定：

         file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A6B.tmp.png                                                     (10)

其中：file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A6C.tmp.png是总的流量

      file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A6D.tmp.png是每根层流管的流量

      file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A7E.tmp.png是帕表的流量

由于帕表的口径较大，因此通过帕表流体的流动通常不是层流状态，其流量的计算公式将为：

         file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A7F.tmp.png                                                    (11)

其中：file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A80.tmp.png为帕表的流阻系数；

      file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A81.tmp.png为所测气体的密度。

由于帕表是高灵敏度的仪表，当选择游丝刚度较小时它可以测量很小的差压，用在这里根据式(9) 可知当file:///C:\Users\ADMINI~1.SKY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps6A82.tmp.png较小时所选的的层流管口径可以较大，而口径愈大对加工是愈有利的。这里除了对尺寸有要求外，还要考虑层流元件使用的材料问题，由于层流流量计所使用的环境条件不确定，例如环境温度可能有很大的差别，如果使用的材料对温度的热膨胀系数太大会引起流量测量的误差，因此会使用像不锈钢这样热膨胀系数小的材料，而不使用热膨胀系数较大的塑料那样的材料。这对通常用膜盒式差压计的层流流量计来说是必须的，但在帕表层流流量计中就可以完全不需要考虑这一因素，这是因为在帕表层流流量计中层流管中流量的大小除了和层流管的直径有关外还和帕表的直径有关，但影响的效果是相反的，从式（5）计算流量的公式中可以看出：当层流管的直径受热膨胀而减小时层流管的流量就会减小，而若帕表的口径因为受热膨胀而减小时，层流管的流量却会增大。对流量影响的程度取决于它们各自的厚度，因此如果我们在层流管以及帕表的管路选用同样的材料、合适的厚度就可以消除温度对材料影响所带来的流量误差。这样一来在帕表层流流量计中的层流元件中就可以放心使用价格低亷、加工方便以及便于批量生产的塑料材料。由此可见在帕表层流流量计中层流元件是可以采用塑料材料，当帕表的灵敏度较高时，要求的层流管直径可以是比较大的，因此层流元件完全可以采用模具制造。考虑到测量范围能做得更大，帕表层流流量计可以做成专用型的流量计，根据不同的气体选用不同口径的层流管。

帕表层流流量计的特点：1，流量的测量范围是可以控制的，在标定法生产的层流流量计中层流元件所能具有的流量测量范围是通过标定法测定后才能知道，而帕表层流流量计的流量测量范围可以通过层流管的直径以及层流管的数量予先确定的；2，层流元件是通过模具生产，可以批量生产，要求的工艺简单；3，使用的塑料材料成本低廉；4，考虑到帕表本身有流量影响，帕表层流流量计更适用于大口径的管道中使用。