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-

  

本课题研制的浮游细菌采样器检定装置能适应不同口径、不同流量、不同电源的浮游细菌采样器,能更好地适应浮游细菌采样器高流量、低风压的特点对浮游细菌采样器的检定装置进行了组装和调试,并在大量试验的基础上进行了大量的性能试验,包括基本功能试验、环境条件试验、运输条件试验等。数据报告表明,浮游细菌采样器检定装置样机的性能指标满足测量要求,能够满足浮游细菌采样器检定的使用要求。目前,该检定装置已应用于天津市计量监督检验所等相关单位的计量工作中,并收到了良好的反馈。


一、检定原理


  浮游细菌采样器检定装置的设计路线是设计和研制确定适应性和测量精度要求的叶轮式标准装置。关键技术是制造过程的精度要求和验证方法,能够适应不同型号制造厂的采样设备,也是该装置的关键考虑因素。基于叶轮流量计的原理,标准流量装置由高精度轴承元件和高灵敏度传感器组成,具有压力和温度补偿功能。专用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。

叶轮流量检测的原理是在测量气体流速和截面面积的基础上,计算出流量。当气体在旋转叶轮和转子C之间流动时,通过整体精馏可以消除不必要的涡流和湍流。气体在叶轮中流动产生的力使涡轮转子旋转。叶轮转子C安装在滚珠轴承主轴上,具有特殊的高精度、低摩擦。叶轮转子有螺旋叶片,与气流保持已知角度。调节和加速的气体以与气体流量成比例的角速度驱动叶轮转子。通过轴和齿轮的作用,当旋转的叶轮转子旋转时,通过十个细分的高精度光学系统采集辐射传感器产生的脉冲速度信号。通过计算这些脉冲,可以计算气体通过装置的瞬时流量QV。根据进水管的横截面积,可以计算出体积流量QV并显示在显示器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


  本文介绍的浮游细菌采样器检定装置,根据叶轮流量计的原理,主要包括以下四个部分:高精度叶轮流量积算仪、多功能接口、夹具和数字流量指示器,如图2所示。高精度的叶轮式流量积算仪是验证装置的核心部分,它通过叶轮的转速来反映流经叶轮的流量。夹具用于将漂浮细菌采样器紧紧固定在检定装置上,防止漏气。

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细菌采样器检定装置的可靠性和准确性,在实验室对20套浮游细菌采样器进行了测试。每台浮游细菌采样器采用传统的流量检定方法——罗茨流量计和本项目研制的浮游细菌采样器检定装置,进行10次重复流量试验。分析实验数据,计算测量结果的标准差和相对误差,并对两种方法的测量结果进行计算、统计和比较。

20个浮游细菌采样器流量测量结果的相对误差如图4所示。系列1是罗茨流量计测量结果的相对误差,是一种传统的流量检定方法。相对示值误差平均值为-33.49%。系列2是本项目研制的浮游细菌采样器检定装置10次重复流量测量结果的相对误差。相对示值误差平均为-1.12%,测量结果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。

从图4和图5可以看出,采用传统的罗茨流量计法对浮游细菌采样器的流量进行验证,误差较大,已不能满足浮游细菌采样器的测量要求。主要原因是目前国内用户在线使用的浮游细菌采样器种类繁多,不同类型的浮游细菌采样器的采样电源差别很大,而且由于口径、压力损失和流量原理的不同,会有相应的测量误差。本课题研制的浮游细菌采样器校准装置,利用叶轮流量计、高精度轴承元件和高灵敏度传感器的原理,制作出具有压力和温度补偿功能的标准流量装置,大大提高了瞬时细菌采样器的校准精度要求以及累积取样流量。




  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



通过验证装置的研制,成功地实现了基于叶轮式流量校准技术的浮游细菌采样器验证方法,并投入到浮游细菌采样器测量的日常工作中。通过实验和测量验证了该方法的有效性和可行性。浮游细菌采样器检定方法的实现,提高了浮游细菌采样器测量数据的准确性,具有良好的社会效益和经济效益。








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