摘要:基于(yú)RS-232接口的自動産泡(pao)皂膜流量計 ,添加(jia)了持續潤濕功能(neng)。采用皂液循環裝(zhuāng)置(包括供液槽和(he)㊙️溢流槽),利用供液(ye)槽橫截面積大、液(yè)位始終不變的特(tè)點，以及恒定供液(ye)槽液面與皂管出(chu)口間的高度差，确(que)保皂液量基本不(bu)變(經導液管内的(de)棉⁉️芯流到皂管内(nèi)壁)，保.持穩定的潤(rùn)濕效果。測定了上(shàng)、下限光電傳感器(qì)間距離長度變化(hua)條件下的氣體🛀🏻流(liu)量,皂管測量區間(jian)不同位置條件下(xia)的氣體流量,以及(jí)是否持續潤濕皂(zào)管條件下氣體的(de)流量。氣體流量測(ce)量結果表明:随着(zhe)上、下限光電🤞傳感(gan)器之間距離的增(zēng)加，氣體流量測得(de)值不斷減小;選取(qǔ)靠近🚩皂管進氣口(kǒu)方向相同距🔞離測(cè)得的氣體流量較(jiao)大,離進氣口越遠(yuǎn),測量值越小;持續(xù)潤濕皂管内壁可(kě)以保♉持氣體流量(liang)測得值的穩㊙️定。
0引(yǐn)言
　　自産泡皂膜流(liú)量計是一種能夠(gou)自動産泡并且對(duì)氣體流量進❤️行連(lian)續計量的容積式(shì)流量計。皂膜流量(liang)計實現自動産泡(pao)前，主要用于微小(xiǎo)氣量測量與檢定(ding)，遵循國家計量檢(jian)定規程JJG586-2006年。無論是(shi)直讀式玻璃管皂(zao)膜流量計，還是電(diàn)子皂膜流量計，在(zài)測量氣🎯體流量時(shi)，一般少于10次。通過(guo)測量值的極差和(hé)極差🤩系數計算标(biao)準偏差，其精度等(deng)級最高可達0.5。同樣(yàng),JJG6332005号規定:采用💛鍾罩(zhao)式氣體流量标準(zhun)裝置對氣體容積(ji)式流量計進行檢(jian)定時,将重複測量(liàng)次數♻️擴大到17次,精(jīng)度等級爲0.2。一些電(diàn)子皂膜流💃量計4也(yě)按.上述🚶‍♀️規定📧進行(hang)設計和制造。
　　持續(xù)潤濕自動産泡皂(zào)膜流量計是在遵(zūn)循以上國😘家🏃标準(zhun)的前提下,自行設(shè)計的一種自産泡(pào)皂膜流量計，可以(yi)有效保證濕潤效(xiao)果。本文針對皂膜(mó)流量計測量💞結果(guo)的各種影響因素(su)😄,對自設計的持續(xu)潤濕自動産泡皂(zao)膜流✌️量計在被測(ce)氣量大小、皂液種(zhong)類、皂液濃度🥵、皂管(guan)粗細、上下限傳感(gǎn)器間有效距離⛱️長(zhang)短、測量區☀️間位置(zhì)、皂管是否持續潤(run)濕等各方面的使(shi)用情📐況進行系統(tǒng)化研.究,找出氣體(tǐ)流量變化規律5日(rì),分析氣體流量變(bian)化的形成原因，爲(wèi)實際應用者提供(gong)技術參考。
1持續潤(run)濕自動産泡皂膜(mó)流量計
　　持續潤濕(shi)自動産泡皂膜流(liú)量計隻的結構包(bāo)括自動産🐕泡🏃🏻‍♂️皂膜(mó)流量計網.(以下簡(jiǎn)稱流量計)和皂液(ye)循⛹🏻‍♀️環裝置兩🍉部分(fen)。流量計結構如圖(tú)1所示。
 
　　流量計的下(xia)部與。上部裝有下(xia)光電傳感器和上(shàng)光☔電傳🐆感器,用于(yu)對皂膜的起始與(yǔ)結束進行檢測。有(you)皂膜遮擋時,傳感(gǎn)器産生3~5V高電平;無(wu)皂膜時，産生0~1V低電(diàn)平恩，分别通過RS-232的(de)第6引腳數據設置(zhi)♊(datasetready,DSR)和第8引腳清除并(bìng)發送(cleartosend,CTS)傳至.上位機(ji)。程序記錄皂.膜通(tong)過兩個傳感器的(de)時間，獲得時間差(cha)。根據兩個傳.感器(qì)間皂管的體積,計(jì)算所測氣體的流(liú)量。皂膜通過下、上(shang)🔞光電傳感器後，程(chéng)序會啓動超‼️時限(xian)定，檢測皂膜中間(jian)破滅和溢出皂管(guan)破滅🤟，能夠在規定(dìng)時間内通過RS-232的第(dì)7根引腳RTS輸出高電(dian)平,通過電路闆驅(qu).動推拉式電磁鐵(tiě),使重錘下降浸💛入(rù)皂液🏒中,皂管中液(ye)位上升。當液位超(chao)過皂管進氣口上(shàng)沿位置時,發送請(qing)求(requesttosend,RTS)輸出低電平,電(diàn)磁鐵斷電,使重錘(chuí)升起💔,皂管中液位(wei)下降。當皂液下降(jiàng)至進氣口.上沿時(shí),開始☎️有皂泡産生(shēng)。随着液位的不斷(duan)下降,皂❄️泡逐漸長(zhang)大,并沿皂管内壁(bì)從皂液表面“剝離(lí)”,形成平行于液面(miàn)的“皂膜”,在氣體的(de)推動💔下向上移動(dong)。
　　圖1中的升降台可(kě)以調節重錘一側(cè)皂液的高度，使初(chū)始💔液位與皂管進(jin)氣口下沿平齊,保(bǎo)證重錘下降時,液(yè)位上升能夠漫過(guo)進🛀氣口上沿。
　　皂液(yè)循環裝置主要由(you)供液槽和溢流槽(cao)組成,供液👌槽橫✂️截(jié)面💋積大,液位始終(zhōng)不變，從而保證供(gong)液槽液🔴面與皂管(guǎn)出口😍間的高度差(cha)恒定。經導液管内(nei)的棉芯流到皂.管(guan)内🤩壁的皂液量基(jī)本不變,從而保持(chi)穩定的潤濕效果(guǒ)。當皂🏒管内的液🌈位(wèi)升高後,周期性下(xià)降的重錘會将多(duō)餘的皂液通過溢(yì)流軟管排至溢♉流(liu)槽内，從而形👨‍❤️‍👨成一(yi)個控制皂管内液(yè)位恒定的循環系(xi)統。因此，需要操作(zuò)者🧡通過滴管将溢(yì)流槽内的皂♍液不(bu)斷移至供液❄️槽,或(huo)通過微型泵⭐自動(dong)循環。
2試驗研究
　　試(shi)驗内容:①改變測量(liang)區間長度對氣體(tǐ)流量的影響;②改變(biàn)測量區間位對氣(qi)體流量的影響;③是(shì)否持續.潤濕對氣(qì)體流量的影響。
2.1試(shi)驗條件
　　試驗采用(yong)兩種規格皂管:一(yī)種爲50mL,内徑16mm,長430mm;另一(yī)種爲㊙️100mL,内徑19mm,長480mm。HGJLH509T型🌍開(kai)🈲關電源可将220V交流(liú)電轉變爲4~24V直流電(dian),爲電路⛹🏻‍♀️闆和推拉(lā)式電磁鐵供電。SRD05VDC-SL-C型(xing)繼電器模塊能夠(gou)實現電磁鐵.的開(kai)關控制。試驗選取(qu)市💚售泡泡水配制(zhi)皂液。
2.2試驗過程
　　改(gai)變測量區間長度(dù)試驗選取50mL皂管,将(jiang)下光電傳感器固(gù)定于皂管的0mL刻度(du)線位置，上光電傳(chuán)感器分别固定于(yú)10mL、15mL、20mL、35mL和45mL刻度💜線。試驗前(qian)✊,按JJG586-2006規程對皂管進(jìn)行清洗💁，泡泡水和(hé)水按1:10比例配制爲(wèi)試驗用皂液。将皂(zao)管内壁用所配制(zhì)皂液充分潤濕,然(rán)後固定于💃🏻支架上(shang),運行程序,自動‼️收(shōu)集數據。
　　改變測量(liang)區間位置試驗選(xuan)取100mL皂管,将下光電(diàn)傳感器置于0mL刻度(du)線,移動上光電傳(chuán)感器分别置.于20mL、40mL、60mL和(hé)80mL刻度線,稱爲“20mL_自下(xià)♍而上”、“40mL_自下而上”、“60mL_自(zì)下而上”和“80mL_自下而(ér)🌐上”。同理♈，将上光電(dian)傳感器置于100mL刻度(du)線,以此爲基線移(yi)動下光電傳感器(qi),分别置于80mL、60mL、40mL和20mL刻度(dù)線，稱爲“20mL_自.上而下(xia)”、“40mL_.自上而下”、“60mL_自上而(er)下”和“80mL_自上而下”。将(jiāng)泡泡水與水按1:1比(bǐ)例配成不同濃度(du)皂液。
　　是否持續潤(run)濕試驗選取50mL皂管(guǎn),将泡泡水與水按(àn)1:2、1:5和🥵1:10比例配成不同(tóng)濃度皂液。下光電(diàn)傳感器置于0mL刻度(dù)線，上光電⭐傳感⛷️器(qì)置于45mL刻度線。持續(xu)潤濕時保證供液(ye)槽内液位高于皂(zao)管出口高度120mm,觀察(chá)🧡皂管内壁有🐕液膜(mo)附着;非持續潤濕(shi).是在試驗初始時(shi)僅潤濕--次🌈,在之後(hòu)的連續測量過程(chéng)中不再進行潤濕(shi)。
3試驗結果與分析(xi)
3.1測量區間長度
　　針(zhēn)對相同氣源,改變(biàn)測量區間長度,得(de)到對應的氣、體流(liú)量對比曲線如圖(tú)2所示。
 
　　由圖2可以看(kàn)出,每一條曲線都(dōu)對應兩種狀态,一(yi)種💔是平🏃‍♀️衡狀态,即(jí)時間足夠長,所測(ce)流量達到一個穩(wen)定值,然後基本保(bao)持不變,在曲線中(zhong)出現一“平台”;另--種(zhǒng)爲過渡狀态💛,即從(cong)開始測量👣到平衡(heng)💋狀态之間的動态(tài).變化過程,測量曲(qǔ)線中表現爲“下坡(pō)”。測量區間越短，過(guo)渡狀态對應時間(jian)越長,這種變化趨(qū)勢越緩❄️慢。由10mL和15mL曲(qu)線♈可以看出,這種(zhǒng)緩慢變化出現的(de)“階梯”現象,達到平(ping)衡狀态後，對應的(de)流量值較大。測量(liàng)區🔞間越長,過渡狀(zhuàng)态經♍曆的時間越(yue)短,曲🚶‍♀️線越陡，35mL和45mL曲(qǔ)線出現明顯的下(xià)滑态勢,很快趨于(yú)平衡狀态。穩定後(hou)對應的測量值較(jiao)小。同樣的氣源氣(qì)量,由于測量區間(jiān)長度的變化,會導(dǎo)緻穩定後的測量(liàng)值出現誤差。
3.2測量(liang)區間位置
　　采用相(xiàng)同氣源,選取相同(tong)長度測量區間,隻(zhi)是改變💁測🏃🏻‍♂️量區間(jian)的位置,相當于将(jiāng)上、下光電傳感器(qì)間的距離固定,沿(yán)皂管方🔴向上下移(yi)動，一種自上而下(xià),另一種自下而上(shang)。不同測量區間位(wei)置氣體流量對比(bǐ)如圖3所示。各位置(zhì)測🤞得的流量值明(ming)顯不同。無論固❗定(ding)體積取多大,自下(xia)而上😍測量值都較(jiao)大;反之,自上而下(xia)測量值🚶普遍較小(xiǎo)。由于本次試驗采(cai)用的是100mL皂管,測量(liang)時間較短,并且泡(pào)泡水與水比例爲(wei)1:1,對皂管🤟的潤濕.性(xìng)能較好，曲線基本(běn)保持“平台”狀态。
 
3.3持(chi)續潤濕與初始潤(run)濕.
　　持續濕潤與初(chū)潤條件下,氣體流(liu)量對比如圖4所示(shì)🈲。
 
　　爲了獲得持續穩(wěn)定的“平台”式測量(liàng)曲線,設計了持續(xu)潤濕與初🈲始潤濕(shī)對比試驗。采用不(bu)同濃度的泡泡.水(shui)皂液🍉,對兩種工況(kuàng)進行了長時間的(de)測量。結果發現，對(duì)于相同的皂液,持(chi)續潤濕自始至終(zhōng)都會保持相同的(de)測量值,呈🐕現一條(tiáo)水平直線,這☀️與設(she)計構想相吻合。僅(jǐn)在初始時刻潤濕(shī)皂管,随着時間的(de)延✨長，測量值不斷(duàn)🍓下降,最後趨于一(yi)穩定值,這與改變(bian)測量區間長度結(jie)果一緻。由此說明(ming),連續測量沒有實(shí)現JJG586-2006所規定的獨立(li)試驗條件,每次試(shì)驗都是在潤濕狀(zhuang)況發生變化的條(tiáo)♈件下進行的,這是(shi)自動産泡💞皂膜流(liu)量計面臨的最大(dà)問題。而消除辦法(fǎ)是采用持續潤濕(shi),達💋到每次試驗都(dou)💛相同的條件。當皂(zào)液濃度不同時，向(xiang)泡泡水中加入的(de)水越多,初始潤濕(shi)後試驗測得值很(hen)快便“下跌”至.平衡(héng)狀态穩定值,說明(ming)水對皂膜的潤濕(shī)效🛀🏻果影響較大。
3.4結(jie)果分析
　　皂管内壁(bi)不同潤濕工況及(jí)皂膜的受力分析(xī)如圖5所示♻️。
 
　　皂液在(zài)皂管内壁形成潤(run)濕層的厚度與皂(zao)液性質有關，即取(qǔ)決于皂液的潤濕(shi)角與表面張力。試(shi)驗前,皂管被皂液(ye)潤☎️濕後,内壁自.上(shang)而下形成均勻的(de)液膜,稱爲潤濕層(ceng)。随着時間的延長(zhang):一方面被測氣體(ti)🙇🏻流經皂管⛱️内部時(shi)，會帶走内壁液膜(mó)表層蒸汽分子,加(jia)快液膜的蒸發過(guò)程，導緻液膜變薄(báo)🌐,越靠近液面🎯,蒸汽(qì)壓越大,内壁潤濕(shī)性相對較好,離皂(zao)管口越近,被氣體(ti)帶走的皂液無法(fa)及時補充🔴，最先出(chū)現潤濕層消失;另(lìng)一方面,附着在内(nei)壁的皂液由于自(zi)身重力的作用不(bú)斷下滑，導緻靠近(jìn)液面的潤濕層“堆(duī)積變厚”，而皂管上(shàng)部被“拉薄”,雖然皂(zao)膜在上升過程中(zhong)⚽會以波浪式擠壓(yā)内壁潤濕層向上(shàng)移動,但由于間🤞隔(gé)時㊙️間較長,這種效(xiao)果并不顯著。“流動(dòng)氣體”與“自身❓重力(lì)”雙重作用導緻在(zài)皂管上部最先出(chu)現潤濕層的萎縮(suo),形成“片”狀的局部(bù)潤濕狀态,稱爲“半(ban)潤濕♈層”。時間進一(yī)步延長後,皂管上(shang)部沒有皂液補充(chōng),局部的液滴完全(quan)蒸發完畢，露出皂(zào)管内壁,失去與皂(zào)液間的潤濕效果(guǒ),稱爲“幹燥層”。
　　當“皂(zao)泡”被進入的氣體(ti)從皂液表面“剝離(lí)”形成“皂膜”後💚,在氣(qì)體的驅動下,以“活(huo)塞”形式向上運動(dòng)。此時，皂膜較厚,如(rú)圖5所示，皂膜在潤(rùn)濕層形成的軌道(dào)上滑動,将皂膜放(fàng)大🏃‍♂️爲“液柱”。液柱與(yu)✏️潤濕層在上部和(hé)下部形成的潤濕(shī)角分别爲上潤濕(shī)角θup1和下潤濕角θawnl。将(jiang)液柱視爲一個獨(du)立研究對象,皂液(yè)對其向上與向下(xia)的表面張力😍作用(yòng)大小相等🔴,方向相(xiang)反,相互抵消。當皂(zao)膜進入半潤濕層(ceng)後，上潤濕角一邊(biān)與局部液😍滴作用(yong),一邊與裸露的内(nei)壁作用，形成的潤(run)濕角θup2較大,向上的(de)表面張力變小;而(ér)下潤濕角θdown2基本不(bú)變，向♊下的表面張(zhang)力基本保持✏️恒定(dìng),導緻皂膜受到向(xiàng)上的合力減小,相(xiàng)當于阻力♊增加，皂(zao)膜速度減慢。當皂(zào)膜進入幹燥層後(hou),由于缺少了💃潤濕(shi)層，下潤濕角θdown3增✨大(dà)，表面張力對皂膜(mo)向下的拉力減小(xiao);上💯潤濕角θup3由銳角(jiao)增大到鈍角,表✉️面(mian)張力方向由💜向上(shàng)改爲向下,即此時(shí)皂膜受到表面張(zhang)力的合力方向向(xiang)下，導緻皂膜前進(jìn)的阻力進一步增(zēng)強,皂膜速度🈚更慢(man)。
　　由以上分析可以(yǐ)看出,皂膜在潤濕(shī)層行進時爲初始(shi)🌏平⛱️衡狀态,在裸露(lù)皂管内壁行進爲(wei)最終平衡狀态,在(zài)半潤濕層爲過渡(dù)狀态。
　　結合試驗研(yan)究,在改變測量區(qu)間長度和初始潤(run)濕過程中,由于僅(jin)在測量前進行一(yī)次性潤濕,後續沒(méi)有繼續保持潤濕(shi)的😄狀态,皂膜經曆(li)了潤濕層、半潤濕(shī)層和幹燥層.受到(dao)的行進阻力不斷(duàn)加大,因此,表現爲(wei)皂膜速度逐漸降(jiàng)低。而持續潤濕試(shì)驗說明,及時補加(jiā)皂液能夠保護皂(zao)管内壁潤濕層,皂(zào)膜可以在光滑膜(mo)層上無阻力運動(dong)，因此.測量值不僅(jin)穩定,而且數值較(jiao)大,驗證了上述分(fen)析過程的正确性(xing)。此外🙇🏻，改變測量區(qū)間長🎯度時,自下而(ér)上距💚離越短,潤濕(shī)層保存得越好,測(cè)量值越大;越🔆往上(shàng),潤濕層越薄，出♉現(xiàn)斷裂破壞區,測量(liàng)值開始下降,并且(qie)數值減小。.
　　改變測(cè)量區間長度時,越(yue)靠近皂液液面,潤(rùn)濕層越厚，皂膜☂️所(suo)受阻力越小，測量(liàng)值越大;越接近皂(zào)管出✨口，潤濕層越(yuè)薄，皂膜受到阻力(li)加大,皂膜速度變(biàn)慢,測量值減小。因(yīn)此，當取相同測量(liàng)區間長度時，越靠(kao)👈近皂液.液❤️面皂膜(mó)受到的阻力越小(xiao)，測量🌈值也越接近(jin)真實值,即🔅.精度越(yue)高。
　　綜上分析可以(yǐ)看出，使用自動産(chan)泡皂膜流量計測(ce)量氣體流量時,影(yǐng)響測量值準确性(xing)的因素較多。究其(qí)原因,主要是皂管(guǎn)内壁形成潤濕層(céng)的情況。爲了保證(zheng)測晶物的生成。
⑤彎(wan)管流量傳感器采(cǎi)用法蘭連接，以便(biàn)拆裝和對髒🔅污介(jiè)🌍質🔅的清洗。
現場使(shi)用實踐表明，上述(shu)措施是有效的。
4.3超(chao)聲流量計在腐蝕(shí)性介質中的應用(yòng)
　　外夾式超聲流量(liàng)計在腐蝕性介質(zhi)流量測量中具☔有(yǒu)獨特的優勢。該流(liú)量計不與腐蝕性(xing)介質直接接觸。但(dàn)由于聲阻抗的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼約(yue)束條件，被測氣體(tǐ)的壓力必須高于(yu)一定值🚩才能實現(xiàn)正常測量。例💘如GC868型(xíng)外夾式超聲流量(liang)計,被測氣體壓力(lì)一般需高于❄️0.6mPa;而外(wai)夾式超聲流量計(jì)壓力一般應高于(yu)0.4mPao
　　對于帶非金屬内(nei)襯的管道,用超聲(shēng)流量計測量管🤟内(nei)🍓介質流量,儀表制(zhì)造廠總是強調在(zai)内襯與金屬管之(zhī)間不能有氣隙。但(dan)是在實際的内襯(chèn)管,無法保證内襯(chen)與金屬管之間完(wán)全沒有氣隙。
5結束(shù)語
　　在流量測量中(zhong),被測流體的複雜(zá)性、要求的多樣性(xìng)🐅和工況🔴的特殊性(xing)爲測量帶來了困(kun)難。但這些特點也(yě)推.動了這門技術(shù)的發🍓展。于是，流量(liang)計種類雖然🔞已經(jīng)有.上百種,但每年(nián)仍有新型流量計(jì)問世。
　　标準差壓式(shì)流量計 量程比不(bú)夠寬，主要制約因(yīn)素是量程低端差(chà)壓測量🌂精确度🏒。在(zai)原有差壓流量計(ji)的基礎上,增設一(yī)台低量程 差壓變(biàn)送器 ，以提高量程(chéng)低端的差壓測量(liang)精度,構成雙量程(cheng)差壓♍流量計,從🐅而(ér)大大拓寬量程比(bǐ)。
　　标準孔闆不切斜(xie)角後就可測量雙(shuang)向流量。在氣體和(he)蒸汽🐪的雙向流測(ce)量中,标準孔闆雙(shuang)向流量計具有優(yōu)越性。
　　在濕氣體流(liú)量測量中,孔闆前(qian)積水、 三閥組 内積(jī)水和差壓變送器(qi)高低壓室内積水(shuǐ)的現象普🔴遍存在(zai)⭐。，針對🔅這三個問題(tí)作了改進後的濕(shi)氣體流量計,可靠(kao)性和精度大大提(tí)高。
　　強腐蝕、易結晶(jing)、低靜壓介質的流(liu)量測量具有難度(dù)。采用新型氟塑料(liao)噴塗的彎管流量(liàng)傳感器，配以吹氣(qi)和🏃🏻‍♂️伴熱🔴保溫等措(cuò)㊙️施，能使問題得到(dào)解決。

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