天溯计量检测校准机构跟您分享基于叶轮式流量标定技术的浮游菌采样器检定方法的实现与分析

- 2019-09-11 -

  本项目研制的浮游菌采样器检定装置,可适应不同口径、不同流量、不同采样动力源的浮游菌采样器,可较好地适应浮游菌采样器高流量、低风压的特点。研究开发的浮游菌采样器检定装置已经完成了组装及调试工作,并进行大量的性能试验,包括基本功能试验、环境条件试验、运输条件试验等。在大量试验的基础上进行分析研究,由数据报告显示,该浮游菌采样器检定装置样机的性能指标符合其计量要求,且能够满足浮游菌采样器检定的使用要求。目前该检定装置已经应用于天津市计量监督检测科学研究院和其他相关单位的计量工作中,并收到了良好反馈。

一、检定原理


  浮游菌采样器检定装置的设计路线,是先设计开发出决定适应性和测量准确度要求的叶轮式标准器,其关键技术是制造工艺的准确度要求和检定方法,能够适应不同型号厂家的采样设备,也是该装置重点考虑内容。利用叶轮式流量计原理,采用高精度轴承元件和高灵敏度传感器制成标准流量装置,具有压力、温度补偿功能,配套专用的流量积算仪可显示瞬时流量和累积流量。

  其中,叶轮式流量检测检定装置如图1所示。

叶轮式流量检测原理是基于测量气体流速流过截面积进而算取流量,当气体流过旋转的叶轮转子c之间,通过一体化的整流来除去不必要的旋涡、紊流,叶轮流动气体产生的力量促使涡轮转子转动。叶轮转子c被安装在带有特殊高精度、低摩擦的滚珠轴承的主轴上。叶轮转子带有螺旋形的叶片,该叶片与气流保持一个已知大小的角度。被调节和加速了的气体以一个与气体流速成比例的角速度驱动着叶轮转子。通过轴和齿轮的作用,旋转着的叶轮转子转动时通过带有十细分高精度光学对射式传感器产生脉冲进行速度信号采集。通过统计这些脉冲,可计算出通过该装置气体的瞬时流量qv,基于流入管道截面积进而算出体积流量Qv显示在显示屏a上。

  浮游菌采样器检定装置利用了叶轮式流量计原理,即叶轮置于被测流体中,受流体流动的冲击而旋转,以叶轮旋转的快慢来反映流量的大小。当流体流经叶轮流量传感器时,在流体推力作用下叶轮受力旋转,其转速与管道平均流速成正比,叶轮转动产生周期性的电脉冲信号。在一定的流量(雷诺数)范围内,该电脉冲信号与流经叶轮流量传感器处流体的体积流量成正比。叶轮流量计的理论流量方程为:

  n=Aqv+B-C/qv

  式中:n——叶轮转速;qv——体积流量;A——流体物性(密度、黏度等),叶轮结构参数(叶轮倾角、叶轮直径、流道截面积等)有关的参数;B——与叶轮顶隙、流体流速分布有关的系数;C——与摩擦力矩有关的系数。

  体积流量Qv=∫tqvdt。


二、总体结构


  基于叶轮式流量计原理,本文所述的浮游菌采样器检定装置主要包括以下4个组成部分:高准确度等级的叶轮式流量积算仪、多用接口、夹紧夹具及数字流量显示仪,如图2所示。高准确度等级的叶轮式流量积算仪是检定装置的核心组成部分,通过叶轮旋转的快慢来反映通过叶轮流量的大小。夹紧夹具是为了将浮游菌采样器紧密固定在检定装置上,以防漏气。


由于不同型号的浮游菌采样器口径不尽相同,为了能够适应不同口径的浮游菌采样器的检定,设计了专用多用接口,如图3所示。多用接口可以连接不同口径的浮游菌采样器,内环部分为软质橡胶,保证了连接气密性。

虽然该装置所配流量积算仪拥有瞬时流量、累计流量、时间、温度、压力等参数的显示,但是为了便于在实际检测工作中收集、汇总、分析测量数据,提高检测工作的效率,还需编制一套数据采集与分析处理软件。该软件采用VC可视化编程软件,建立一套完整的浮游菌采样器数据采集与分析系统,仪器通过USB连接PC实现对检测数据的实时显示以及自动处理,并可保存记录。


三、重复性实验及数据分析


  为了更好地验证浮游菌采样器检定装置的可靠性和准确性,在实验室内对20台浮游菌采样器进行了流量测试。每台浮游菌采样器分别采用传统的流量检定方法——罗茨流量计及本项目研制的浮游菌采样器检定装置进行10次重复性流量测试。对实验数据进行分析,计算测量结果的试验标准偏差及相对误差,并对两种方法的测量结果进行计算、统计、比较。

  20台浮游菌采样器流量测量结果的相对误差如图4所示。系列1为用传统的流量检定方法——罗茨流量计测量结果的相对误差。其相对示值误差的平均值为-33.49%。系列2为用本项目研制的浮游菌采样器检定装置进行10次重复性流量测试的测量结果的相对误差,其相对示值误差的平均值为-1.12%,其测量结果的相对示值误差提高了-32.37%。


20台浮游菌采样器流量测量结果的实验标准偏差如图5所示。系列1为用传统的流量检定方法——罗茨流量计的测量结果的实验标准偏差。其实验标准偏差的平均值为0.24mL/min。系列2为用本项目研制的浮游菌采样器检定装置进行10次重复性流量测试的测量结果的实验标准偏差,其实验标准偏差的平均值为0.23mL/min,其测量结果的实验标准偏差提高了0.01 mL/min。

由图4、图5可知,利用传统的罗茨流量计方法对浮游菌采样器的流量进行检定,误差较大,已无法满足对浮游菌采样器计量的需求。其主要原因是目前国内用户在线使用的浮游菌采样器型号繁多,不同型号的浮游菌采样器的采样动力源差异很大,且由于口径、压力损失及流量原理不同,会产生相应的测量误差。本项目研制的浮游菌采样器检定装置,利用叶轮式流量计原理,采用高精度轴承元件和高灵敏度传感器制成标准流量装置,具有压力、温度补偿功能,大大提高了对瞬时及累计采样流量的检定准确度要求。

  数据表明,浮游菌采样器检定装置测量数据优于传统装置测量数据,能够适应大多数型号的浮游菌采样器的测量,说明该检定装置测量数据准确可靠,可以满足浮游菌采样器的测量要求。

四、结束语


  基于叶轮式流量标定技术的浮游菌采样器检定方法已通过检定装置的研制成功得以实现,并已投入到日常的浮游菌采样器测量的工作中使用。其有效性和可行性在实验中和测量工作中均得到了验证。该浮游菌采样器检定方法的实现,提高了浮游菌采样器测量数据结果的准确性,具有良好的社会效益和经济效益。