CN107389304B - 一种小孔导流正压测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小孔导流正压测量装置，其特征在于，包括标准室、测量室、稳压室、压差计、压力计、机械泵、气源系统、恒温水浴系统和阀门；稳压室、小孔夹紧装置、测量室和标准室通过管道依次连接，压力计连接在稳压室上，压差计与测量室和标准室连接；稳压室和标准室通过管道连接，机械泵和气源系统分别通过第四阀门和第三阀门，与连接稳压室和标准室的管道相连通；稳压室、测量室和标准室放置于恒温水浴系统中。本发明解决了传统小孔流导测量过程中的本底压强和环境温度波动影响等问题，可测量粘滞流状态下，小孔流导在特定压差下的流导，测量过程简单，测量结果精确，可测量小孔对各种气体的流导。

Description

一种小孔导流正压测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种小孔导流正压测量装置及其测量方法。

背景技术

小孔流导的应用非常广泛，如在真空计量装置设计中，小孔流导的设计是个重要的环节；质谱仪校准装置中，可采用小孔流导获得更低的分压力；气体微流量计设计中，可使用小孔提供稳定的气体流量。

小孔流导的大小取决于小孔的形状、尺寸、通过小孔的气体、气体流动状态等。对于尺寸较小或不规则的小孔，无法通过理论计算得到，只能通过实验方法测量。

目前国内测量小孔流导的方法主要有定容法、恒压法、气体微流量计法等。这些方法主要测量分子流状态下小孔的流导，测量室为真空状态，小孔流导压差为1atm。测量室存在本底压强，周围环境温度有一定的波动性，因此对小孔流导的测量结果有一定的影响。因此，急需设计一种能精确测量在粘滞流状态中，微压差下小孔流导且测量过程简单的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小孔导流正压测量装置及其测量方法，以解决现有的测量方法因测量室存在本底压强，周围环境温度具有波动性，对小孔导流的测量结果有一定影响的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种小孔导流正压测量装置，包括标准室、测量室、稳压室、压差计、压力计、机械泵、气源系统、恒温水浴系统和阀门；

所述稳压室、小孔夹紧装置、测量室和标准室通过管道依次连接，所述小孔夹紧装置和测量室之间的管道上安装有第一阀门，测量室和标准室之间的管道上安装有第五阀门；所述压力计连接在稳压室上，所述压差计与测量室和标准室连接；所述稳压室和标准室通过管道连接，在所述管道上靠近稳压室的一端安装有第二阀门，靠近标准室的一端安装有第六阀门；所述机械泵和气源系统分别通过第四阀门和第三阀门，与连接稳压室和标准室的管道连接；所述稳压室、测量室和标准室放置于所述恒温水浴系统中。

进一步地，所述气源系统和第三阀门之间连接有过滤装置。

进一步地，所述标准室和测量室的体积和材料完全相同。

进一步地，所述恒温水浴系统的温控精度高于0.1℃。

本发明的另一个技术方案是，提供一种采用上述小孔导流正压测量装置的测量方法，包括以下步骤：

S1、将待测小孔安装在小孔夹紧装置中，开启恒温水浴系统维持在室温；

S2、关闭第三阀门，开启第一阀门、第二阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门；使用机械泵对标准室、测量室和稳压室抽真空；

S3、关闭第四阀门，开启第三阀门，使用气源系统向标准室、测量室和稳压室充入实验气体；观察压力计，当其示数稳定在一个大气压值时，关闭第一阀门和第六阀门；

S4、当压力计示数稳定在101325+ΔpPa且Δp小于5000Pa时，关闭第二阀门、第三阀门、第五阀门，开启第一阀门，稳压室中的气体通过小孔夹紧装置进入到测量室；差压计记录标准室与测量室之间的压差随随时间t的变化规律p(t)；

S5、根据步骤S4中得到的p(t)，小孔流导C用下式推导得出：

其中V是测量室的体积，是测量室与标准室之间的压差变化率，Δp是小孔两侧的压强差。

本发明提供的小孔导流正压测量装置及其测量方法解决了传统小孔流导测量过程中的本底压强和环境温度波动影响等问题，可测量粘滞流状态下，小孔流导在特定压差(即微压差)下的流导，测量过程简单，测量结果精确，可测量小孔对各种气体的流导。

附图说明

下面结合附图对发明作进一步说明：

图1是本发明小孔流导测量装置的结构示意图；

其中，1-标准室、2-差压计、3-测量室、4-第一阀门、5-小孔夹紧装置、6-压力计、7-恒温水浴系统、8-稳压室、9-第二阀门、10-第三阀门、11-过滤装置、12-气源系统、13-机械泵、14-第四阀门、15-第五阀门、16-第六阀门。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的小孔导流正压测量装置及其测量方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图1为本发明小孔流导测量装置的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的小孔导流正压测量装置由标准室1、差压计2、测量室3、第一阀门4、小孔夹紧装置5、压力计6、恒温水浴系统7、稳压室8、第二阀门9、第三阀门10、过滤装置11、气源系统12、机械泵13、第四阀门14、第五阀门15、第六阀门16组成。

所述标准室1通过第五阀门15与测量室3连接；差压计2与标准室1和测量室3连接；小孔夹紧装置5通过第一阀门4与测量室3连接；压力计6与稳压室8连接；标准室1、测量室3、稳压室8均放置在恒温水浴系统7中；机械泵13通过第四阀门14与第二阀门9和第六阀门16之间的管道连接；气源系统12与过滤装置11连接；过滤装置11通过第三阀门10与第二阀门9和第六阀门16之间的管道连接；第二阀门9与稳压室8连接；第六阀门16与标准室1连接。

优选的，标准室1与测量室3的体积和组成材质一样，恒温水浴系统7的控温精度优于±0.1℃。

本实施例中，采用上述小孔导流正压测量装置的测量方法包括以下步骤：

S1、将待测小孔安装在小孔夹紧装置中，开启恒温水浴系统维持在室温；

S2、关闭第三阀门，开启第一阀门、第二阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门；使用机械泵对标准室、测量室和稳压室抽真空；

S3、关闭第四阀门，开启第三阀门，使用气源系统向标准室、测量室和稳压室充入实验气体；观察压力计，当其示数稳定在101325Pa即一个大气压值时，关闭第一阀门和第六阀门；

S4、当压力计示数稳定在101325+ΔpPa且Δp小于5000Pa时，关闭第二阀门、第三阀门、第五阀门，开启第一阀门，稳压室中的气体通过小孔夹紧装置进入到测量室；差压计记录标准室与测量室之间的压差随随时间t的变化规律p(t)；

S5、实验气体通过小孔夹紧装置5进入到测量室3的质量流量Q可以用下式表示：

其中V是测量室3的体积，是测量室3与标准室1之间的压差变化率；

质量流量Q也可以用下式表示：

Q＝C·Δp (2)

其中C是小孔流导，Δp是小孔两侧的压强差；

结合公式(1)和公式(2)，小孔流导C可以用下式推论得出：

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种小孔导流正压测量装置，其特征在于，包括标准室、测量室、稳压室、压差计、压力计、机械泵、气源系统、恒温水浴系统和阀门；所述稳压室、小孔夹紧装置、测量室和标准室通过管道依次连接，所述小孔夹紧装置和测量室之间的管道上安装有第一阀门，测量室和标准室之间的管道上安装有第五阀门；所述压力计连接在稳压室上，所述压差计与测量室和标准室连接；所述稳压室和标准室通过管道连接，在所述管道上靠近稳压室的一端安装有第二阀门，靠近标准室的一端安装有第六阀门；所述机械泵和气源系统分别通过第四阀门和第三阀门，与连接稳压室和标准室的管道相连接；所述稳压室、测量室和标准室放置于所述恒温水浴系统中。

2.如权利要求1 所述的小孔导流正压测量装置，其特征在于，所述气源系统和第三阀门之间连接有过滤装置。

3.如权利要求1 所述的小孔导流正压测量装置，其特征在于，所述标准室和测量室的体积和材料完全相同。

4.如权利要求1 所述的小孔导流正压测量装置，其特征在于，所述恒温水浴系统的温控精度高于0.1℃。

5.使用如权利要求1 所述的小孔导流正压测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将待测小孔安装在小孔夹紧装置中，开启恒温水浴系统维持在室温；

S2、关闭第三阀门，开启第一阀门、第二阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门；使用机械泵对标准室、测量室和稳压室抽真空；

S3、关闭第四阀门，开启第三阀门，使用气源系统向标准室、测量室和稳压室充入实验气体；观察压力计，当其示数稳定在一个大气压值时，关闭第一阀门和第六阀门；

S4、当压力计示数稳定在101325+Δp 且Δp小于5000Pa时，关闭第二阀门、第三阀门、第五阀门，开启第一阀门，稳压室中的气体通过小孔夹紧装置进入到测量室；压差计记录标准室与测量室之间的压差随时间t 的变化规律p(t)；

S5、根据步骤S4中得到的p(t)，小孔流导C 用下式推导得出：

其中V 是测量室的体积，是测量室与标准室之间的压差变化率，Δp 是小孔两侧的压强差。