測(cè)量機(jī)械真空泵流量的儀器種類(lèi)繁多，有渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、孔板流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)和滴管流量計(jì)等等，真空行業(yè)中常用的是后面幾種。轉(zhuǎn)子流量計(jì)存在精度低、讀數(shù)不夠穩(wěn)定等缺點(diǎn)，不宜作測(cè)量?jī)x表。但由于價(jià)格低廉、使用方便、讀數(shù)直觀并可遠(yuǎn)傳，常常被應(yīng)用于生產(chǎn)流程中的流量顯示。

　　質(zhì)量流量計(jì)精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定可靠、操作使用方便，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但對(duì)真空行業(yè)而言，卻存在流導(dǎo)不足的問(wèn)題。例如目前最大的質(zhì)量流量計(jì)，最大量程已達(dá)2000SLM，但連接口徑只有10mm，故適宜于測(cè)量壓力氣體的流量；用來(lái)測(cè)量真空泵則量程只有其額定值的幾分之一，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，情況確實(shí)如此，所以在真空行業(yè)中只能用來(lái)測(cè)量小流量。

　　孔板流量計(jì)曾被廣泛應(yīng)用于水泵行業(yè)，因其體積較大，安裝和使用相對(duì)比較麻煩，應(yīng)用得較少。主要使用在低真空和中、大流量的場(chǎng)合，例如活塞式真空泵、水環(huán)式真空泵的測(cè)量中。真空行業(yè)中使用最廣泛的是滴管流量計(jì)和噴嘴流量計(jì)，這是二種絕對(duì)流量計(jì)，只要認(rèn)真操作，完全可以獲得較高的精度。

　　1噴嘴流量計(jì)

　　噴嘴流量計(jì)是根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)中的Laval（拉瓦爾）噴管原理設(shè)計(jì)的一種絕對(duì)流量計(jì)，它在噴嘴出口壓力與入口壓力之比等于0.528時(shí)，噴嘴中氣流速度達(dá)到超音速，通過(guò)的氣體流量達(dá)到最大值。噴嘴出口壓力繼續(xù)降低，上述壓力比將開(kāi)始小于0.528并繼續(xù)下降，氣體流量保持不變。

　　噴嘴的流量按下式計(jì)算：

　　噴嘴效率系數(shù)，取0.97

　　Pb大氣壓力，1013.25hPa

　　d0噴嘴的孔徑，mm

　　T室溫，K

　　測(cè)試時(shí)總流量等于各個(gè)開(kāi)啟噴嘴流的算術(shù)和：

　　G=Gi

　　述流量的計(jì)算還需經(jīng)換算和校正，如大氣壓力換算、氣體常數(shù)換算、噴嘴效率校正和壓力比校正。需要特別指出的是壓力比的校正，當(dāng)噴嘴出口壓力與入口壓力之比大于0.528之后，噴嘴中的氣流速度開(kāi)始低于音速，并隨著壓力比的繼續(xù)增加，噴嘴中的氣流速度進(jìn)一步下降，在此狀態(tài)下的流量計(jì)算已不再遵循公式（1），必需進(jìn)行壓力比校正。具體計(jì)算參見(jiàn)GB/T13930水環(huán)真空泵和水環(huán)壓縮機(jī)氣量測(cè)定方法。噴嘴流量計(jì)的測(cè)試裝置如圖1所示。

　　本噴嘴流量計(jì)測(cè)試裝置與GB/T13930規(guī)定的不同之處在于，各噴嘴中的超音速氣流進(jìn)入到測(cè)試罩后，由于集束效應(yīng)，氣流不容易均勻混和，壓力穩(wěn)定性差，按GB/T13930規(guī)定的裝置測(cè)得的抽速偏差較大；所以我們將測(cè)試罩長(zhǎng)度加長(zhǎng)，L/D=3~4，同時(shí)取壓位置從測(cè)試罩上移到錐管下面的連接管上。試驗(yàn)證明這項(xiàng)改進(jìn)效果顯著，再也沒(méi)有出現(xiàn)抽速偏大的現(xiàn)象。

　　實(shí)際應(yīng)用中，噴嘴流量計(jì)應(yīng)盡量避免在3kPa壓力以下使用，因?yàn)榇藭r(shí)測(cè)試罩中真空度較高，使用的都是小噴嘴，從噴嘴中進(jìn)入的超音速氣流的集束效應(yīng)更厲害，氣流的均勻性和穩(wěn)定性更差；再加上小口徑噴嘴的附面層影響也較大，將對(duì)抽速的測(cè)試產(chǎn)生很大的偏差。測(cè)試罩中真空度越高，這個(gè)偏差越大。

　　2滴管流量計(jì)

　　滴管流量計(jì)因其量程寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、精度較高，并且是絕對(duì)流量計(jì)而得到廣泛應(yīng)用。滴管式流量計(jì)一直是國(guó)內(nèi)外真空標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)量真空泵抽速的一種流量計(jì)，通過(guò)精確計(jì)量出滴管不同高度的容積，就能準(zhǔn)確測(cè)量真空泵的流量，至今仍為國(guó)內(nèi)外有關(guān)真空標(biāo)準(zhǔn)所采用。

　　而現(xiàn)階段使用的滴管流量計(jì)存在這樣一個(gè)突出的缺點(diǎn)：由于毛細(xì)管現(xiàn)象的存在，在小直徑玻璃管中液面存在不同程度的壓低值，因此滴管直徑不能過(guò)小，也就是不能測(cè)量小流量或小流量測(cè)得的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

　　表1是在同樣狀態(tài)下用直徑1.5滴管與直徑5滴管測(cè)得的數(shù)據(jù)比較，如表1所示。

　　表1同樣狀態(tài)下用直徑1.5滴管與5滴管測(cè)得的數(shù)據(jù)比較

　　Table1Comparisonofthetestresultsbetweenpipetswithdiameter1.5and5underthesamestate

　　試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，滴管內(nèi)徑1.5mm與5mm相比，小直徑滴管所測(cè)得抽速偏小，抽速測(cè)量誤差（偏?。┳畲筮_(dá)16%以上，如將內(nèi)徑1.5mm的滴管與12mm內(nèi)徑滴管相比，測(cè)量誤差還要大。因此國(guó)外如德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)就規(guī)定滴管的內(nèi)徑不得小于12mm，這樣就把測(cè)量誤差限制在一定范圍內(nèi)，但這也存在著一個(gè)問(wèn)題，抽速小的真空泵無(wú)法用這種方法測(cè)量，使滴管流量計(jì)在測(cè)試小流量方面存在一定的局限性。

　　針對(duì)上述問(wèn)題，我們研究了一種新穎的量程向小流量方向拓展的滴管流量計(jì)真空滴管流量計(jì)（已申請(qǐng)專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)201120369254.2），它能很好的解決上述問(wèn)題。

　　3真空滴管式流量計(jì)工作原理

　　為了便于說(shuō)明，我們先從流量計(jì)算公式說(shuō)起，假設(shè)測(cè)量過(guò)程是在等溫條件下進(jìn)行的。真空泵所抽取的氣體量G是隨時(shí)間t的變化而變化的，所以G是t的函數(shù)，即G=f（t）（3）

　　由此時(shí)間t時(shí)，泵所抽取的氣體量為G=f（t）；則在t+t時(shí)間后，泵所抽取的氣體量就是G1=f（t+t）。

　　因而，與時(shí)間增量t相對(duì)應(yīng)的函數(shù)增量，也就是泵所抽取的氣體量的增量，即G=f（t+t）-f（t）

　?。?）所以Gt就是在t時(shí)間內(nèi)，泵所抽取的G氣體量時(shí)的平均流量Q。

　　對(duì)滴管流量計(jì)而言，這個(gè)氣體增量G是負(fù)增量，所以（2）式應(yīng)改寫(xiě)成G=f（t）-f（t+t）

　　（5）則平均流量Q=Gt=f（t）-f（t+t)t

　?。?）因?yàn)镚=f（t）=VP則G1=f（t+t）=（V-V）（P-P）代入（4）式得Q=VP-（V-V）（P-P）t=PV+VP-VPt

　?。?）式中Q流量

　　P測(cè)量開(kāi)始前滴管內(nèi)壓力，常規(guī)為大氣壓

　　P測(cè)量過(guò)程中滴管內(nèi)壓力的變化

　　V測(cè)量開(kāi)始前滴管內(nèi)油面以上的容積

　　V測(cè)量過(guò)程中滴管內(nèi)容積的變化

　　t滴管中油面從零位上升到終位所需時(shí)間

　　按常規(guī)，滴管式流量計(jì)的測(cè)量在大氣壓下進(jìn)行，即P為大氣壓。從滴管式流量計(jì)的計(jì)算公式中可以看出，在滴管內(nèi)徑?jīng)Q定以后，滴管式流量計(jì)的量程范圍就已確定，唯有滴管內(nèi)油面上的壓力P能對(duì)流量的測(cè)量產(chǎn)生影響。如果把滴管內(nèi)油面上的壓力P從大氣狀態(tài)轉(zhuǎn)變成真空狀態(tài)，它的量程就可以通過(guò)真空度的調(diào)控，來(lái)擴(kuò)大量程范圍，實(shí)現(xiàn)向小流量方向拓展的目的。這樣滴管式流量計(jì)就變成了真空滴管式流量計(jì)，以內(nèi)徑為15mm的滴管式流量計(jì)為例，如滴管內(nèi)油面上的壓力P從105Pa（大氣壓）降低到5 104Pa，流量將降為原來(lái)的一半；壓力再降低到1.3 104Pa，則流量將降為原來(lái)的1/5噴嘴流量計(jì)_長(zhǎng)頸噴嘴流量計(jì)應(yīng)用。

　　4結(jié)構(gòu)組成

　　如何來(lái)實(shí)現(xiàn)上述所說(shuō)的油面壓力P的降低呢？我們知道，常規(guī)使用的滴管式流量計(jì)，包括滴管式流量計(jì)、開(kāi)式油箱、工作液（油）、真空閥門(mén)、計(jì)時(shí)儀。結(jié)構(gòu)如圖2所示。真空滴管式流量計(jì)主要由滴管式流量計(jì)、超聲波液位變送器（零位和終位）、計(jì)時(shí)儀、密封油箱、真空閥門(mén)A與B、真空調(diào)節(jié)閥、真空計(jì)和輔助真空泵組成。真空滴管式流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

　　滴管式流量計(jì)安裝在密封油箱上，并通過(guò)真空閥門(mén)A與油箱上部連接；滴管中液面上升的二個(gè)測(cè)量位置設(shè)有超聲波液位變送器（零位和終位），它輸出的訊號(hào)控制計(jì)時(shí)儀，記錄液面上升所需時(shí)間；超聲波液位變送器（終位）的另一路訊號(hào)操控真空閥門(mén)A，但它只在滴管中液面上升到終位時(shí)，打開(kāi)真空閥門(mén)A，以免滴管中液面上升過(guò)高；輔助真空泵通過(guò)真空閥門(mén)B與油箱上部連接，油箱上部還連接有真空調(diào)節(jié)閥，通過(guò)輔助真空泵對(duì)密封油箱的抽氣和真空調(diào)節(jié)閥的放氣來(lái)使密封油箱內(nèi)的壓力保持一個(gè)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)真空狀態(tài)，它的真空度可根據(jù)需要調(diào)控，這樣，整個(gè)流量測(cè)量系統(tǒng)均處于真空狀態(tài)下；真空計(jì)用來(lái)測(cè)量整個(gè)真空滴管式流量計(jì)系統(tǒng)的真空度。當(dāng)然，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)也可以處在大氣狀態(tài)下，這樣，就擴(kuò)大了流量測(cè)量范圍，特別是向小流量方向的拓展。

　　測(cè)量時(shí)，先打開(kāi)真空閥門(mén)B，啟動(dòng)輔助真空泵對(duì)系統(tǒng)抽氣，并打開(kāi)真空調(diào)節(jié)閥，按滴管式流量計(jì)量程的需要，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的真空度；關(guān)閉真空閥門(mén)A，滴管中液面開(kāi)始上升，到達(dá)超聲波液位變送器（零位）處，計(jì)時(shí)儀開(kāi)始計(jì)時(shí)，

　　至滴管中液面上升到超聲波液位變送器（終位）處，計(jì)時(shí)儀計(jì)時(shí)結(jié)束，真空閥門(mén)A自動(dòng)打開(kāi)，完成一次測(cè)量。

　　5總結(jié)

　　真空滴管式流量計(jì)具有以下特點(diǎn)：(1)滴管式流量計(jì)安裝在密封油箱上，通過(guò)輔助真空泵的抽氣和真空（放氣）閥來(lái)達(dá)到和保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的真空，整個(gè)流量測(cè)量系統(tǒng)均處于真空狀態(tài)下，擴(kuò)大了流量測(cè)量范圍，特別是向小流量拓展。而且它的真空度可調(diào)控，以此來(lái)設(shè)置它的不同的流量范圍。

　　(2)整個(gè)流量測(cè)量系統(tǒng)既可以處于真空狀態(tài)下，又可以處在大氣狀態(tài)下，擴(kuò)大了流量測(cè)量范圍。

　　(3)當(dāng)整個(gè)流量測(cè)量系統(tǒng)處于真空狀態(tài)下時(shí)，流量測(cè)量系統(tǒng)的真空度必須低于103Pa，以保證流量測(cè)量工作的正常進(jìn)行。

　　(4)滴管中液面的上升高度是預(yù)先設(shè)定的，并通過(guò)超聲波液位變送器發(fā)出液位訊號(hào)；液面上升某高度所需的時(shí)間由計(jì)時(shí)儀記錄，它受液位變送器發(fā)出的液位訊號(hào)所操控，從而避免了手動(dòng)計(jì)時(shí)和眼睛觀察高度所引起的誤差，進(jìn)一步提高了測(cè)試精度。

　　(5)真空滴管式流量計(jì)在真空狀態(tài)下時(shí)，特別適宜于測(cè)量小流量。它可用較大直徑滴管來(lái)測(cè)量小流量，避免了小直徑滴管因毛細(xì)管作用引起的流量測(cè)試值偏低的情況，使測(cè)試更加準(zhǔn)確。

　　(6)真空滴管式流量計(jì)整個(gè)系統(tǒng)處于真空狀態(tài)下，工作液（油）不會(huì)被灰塵和水蒸氣污染，保證了測(cè)量精確度。

　　真空滴管式流量計(jì)是最新研究成果，很可能存在考慮不周的地方，望批評(píng)指正。