烟用层流流量传感器测量准确性研究

2019-12-14苏东赢杨荣超张鹏飞史占东

中国测试 2019年11期

崔廷，苗芊，苏东赢，张勍，曾波，杨荣超，张鹏飞，史占东

(1.河南中烟工业有限责任公司技术中心，河南郑州 450000;2.中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南郑州 450001)

0 引言

层流流量传感器是基于层流原理，通过测量流体两端压差来实现流量的测量，具有准确度高、响应速度快、压力损失小等优点，广泛应用于微小气体流量检测领域[1-5]。烟用层流流量传感器是卷烟和滤棒物理性能综合测试台通风率单元的关键部件，主要用于卷烟通风流量的测量。烟支在17.5 mL/s恒定流量抽吸下，通过乳胶管闭合将烟支分隔为滤嘴通风区与纸通风区，通风区产生的气流穿过层流流量传感器时，通过测量层流流量传感器首尾两端压差即可换算得到通风流量。

GB/T 22838.15-2009规定，卷烟通风流量测量过程中，卷烟各区域的外部压力低于测试环境大气压不超过20 Pa[6-7]。因此，烟用层流流量传感器在测量流量过程中压力差应严格控制在20 Pa内。张嘉祥[8]研究了层流流量计的数学模型和标定方法，提出粘度和密度双系数的标定方法。王伯年等[9]分析了层流流量计设计参数的确定问题，选择5个参数优化层流流量计的具体设计。郭辉等[10]将自动化测试技术与层流流量计相融合，设计了数字式层流流量计测量系统。PENA等[11]研究了层流流量传感器的线性误差与非线性误差，对设计生产具有一定的指导作用。烟用层流流量传感器测量准确性相关的文献较少，环境条件对其影响程度不可而知。

卷烟通风率测试仪器一般存放于实验室与生产车间，温度、相对湿度、大气压均有所不同。本文对烟用层流流量传感器测量误差进行分析，着重研究不同环境因素对其准确性的影响程度。

1 原理介绍

1.1 基本结构

烟用层流流量传感器一般由层流元件、进气取压端、出气取压端、外壳、压差计等组成。气体流经层流流量传感器时，在层流元件内部处于完全发展的层流状态，进气取压端与出气取压端接入压差计，通过测量层流元件前后两端压差来实现流量的测量[12]。烟用层流流量传感器原理图见图1。

层流元件是烟用层流流量传感器的关键部件，一般采用较好韧性和延展性的波纹钢板绕制而成。层流元件从轴线方向看，是由许多细圆管分散排列，呈现蜂窝状，细圆管直径决定着一定流速的气体是否处于层流流动状态。

图1 层流流量传感器原理图

1.2 入口效应

烟用层流流量传感器在测量卷烟通风率过程中，待测通风流量通常小于17.5 mL/s。烟用层流流量传感器实物图如图2所示。

图2 烟用层流流量传感器实物图

待测气体以均匀速度流入烟用层流流量传感器时，在进气端会产生入口效应，如图3所示。气体在aa处以均匀速度流入半径为r的圆柱形毛细管道，在粘性力作用下，毛细管管壁处产生边界层，沿气体流动方向的各截面上速度分布不断发生变化。气体流动至bb处时，气流速度沿轴向对称分布，中心线附近速度仍然相等。经一段距离l1后，气体流动至cc处，气流速度沿毛细管管道径向呈抛物线状分布。气体在毛细管管道后段流动速度一直沿径向呈抛物线状分布。

图3 烟用层流流量传感器入口效应

气流在烟用层流流量传感器内部流动过程中，入口段为非充分发展区域，流动状态为湍流，后段为充分发展区域，流动状态为层流。根据哈根-泊肃叶定律，气体流动处于层流状态时，流量与压差呈正比[13]。

式中：Q——流量；

∆P——压差；

η——气体粘度；

L——充分发展区域长度；

d——直径。

因此，烟用层流流量传感器在设计制造时，进气端一般留有较长尺寸，仅在充分发展区域进行压差测量，以实现流量的精确检测。

2 数值仿真

2.1 模型建立

由于流过烟用层流流量传感器的流量低于17.5 mL/s，压差小于 20 Pa，工程上在微流量、小压力场合，可忽略空气压缩性。采用SolidWorks软件绘制烟用层流流量器三维图，导入Gambit软件进行网格划分。烟用层流流量传感器流体区域模型如图4所示。

图4 烟用层流流量传感器流体区域模型

将上述流体区域模型导入Fluent流体软件，进行数值仿真。设置边界条件时，采用Laminar层流模型，进出口分别为速度进口与压力出口，压力与速度耦合方式选取SimpleC算法。

2.2 误差分析

在温度 22 ℃、相对湿度 60%、大气压 101 325 Pa的标准状况下，改变穿过烟用层流流量传感器的流量值，得到相应的压力仿真值。将烟用层流流量传感器串联至活塞式气体流量标准装置抽吸管路中，采用数字压差计测量不同流量下的压力实验值。依据哈根-泊肃叶公式，得到烟用层流流量传感器不同流量对应的压力理论值。将不同流量下压力仿真值与实验值、理论值进行对比，如图5所示。

图5 不同流量下压力仿真值、实验值与理论值

由图可以看出，烟用层流流量传感器不同流量下的压力仿真曲线与实验曲线基本重合，验证了数值仿真的可行性，在探究环境因素对烟用层流流量传感器准确性影响时，可采用数值仿真代替实验测试的方法；小流量时，烟用层流流量传感器的压力理论值基本与仿真值、实验值相同，大流量时，压力理论值均小于仿真值与实验值。

烟用层流流量传感器压力仿真结果与实验结果基本吻合，仅分析压力仿真值与理论值的差异性。在不同流量下，绘制烟用层流流量传感器压力相对误差随流量的变化趋势，如图6所示。

图6 不同流量下压力相对误差

由图可以看出，当 0.48 mL/s＜Q≤16.3 mL/s时，烟用层流流量传感器的压力仿真曲线与理论曲线较为接近，相对误差在1%以内；当Q＞16.3 mL/s时，烟用层流流量传感器的压力仿真曲线偏离理论曲线，相对误差超过1%；当Q≤0.48 mL/s时，烟用层流流量传感器的相对误差在1%上下浮动。

由于烟用层流流量传感器存在测压孔、取压接头等结构，使得气体在流动过程中产生局部压力损失，小流量测量时影响较小，大流量测量时影响较大。

烟用层流流量传感器流量值与气体粘度相关，而环境因素会对气体粘度产生影响，因此需考虑温度、大气压、相对湿度对烟用层流流量传感器测量准确性的影响。

2.3 温度影响

保持相对湿度60%、大气压 101 325 Pa不变，改变环境温度，对不同流量下的烟用层流流量传感器进行数值仿真，得到不同温度下的压力与流量关系图，如图7所示。

图7 不同温度下压力与流量关系图

由图可知，在相同流量下，随着温度的升高，烟用层流流量传感器压力值逐渐增大。小流量时，温度影响相对较小；大流量时，温度影响相对较大。

针对同一流量，不同温度下的最大压力值减去最小压力值作为绝对误差。不同流量时，16～31℃范围下的压力绝对误差如图8所示。

图8 不同流量下温度对压力绝对误差的影响

由图可以看出，随着流量的不断增大，温度对烟用层流流量传感器压力绝对误差的影响呈线性增大。流量为17.5 mL/s时，16～31℃温度范围下烟用层流流量传感器的压力绝对误差达0.24 Pa。因此，温度对烟用层流流量传感器测量准确性影响较大。

2.4 大气压影响

保持温度22 ℃、相对湿度60%不变，改变大气压，对不同流量下的烟用层流流量传感器进行数值仿真，得到不同大气压下的压力与流量关系图（1 atm=101 325 Pa），如图9 所示。

由图可以看出，在不同流量下，大气压对烟用层流流量传感器压力值影响有所不同。小流量时，大气压基本不影响；大流量时，大气压有一定影响。

图9 不同大气压下压力与流量关系图

针对同一流量，不同大气压下的最大压力值减去最小压力值作为绝对误差。不同流量时，0.7～1.1 atm大气压范围下的压力绝对误差如图10所示。

图10 不同流量下大气压对压力绝对误差的影响

由图可以看出，流量小于8 mL/s时，大气压对烟用层流流量传感器压力绝对误差不影响；流量大于8 mL/s时，大气压对烟用层流流量传感器压力绝对误差有一定影响。流量为 17.5 mL/s时，0.7～1.1 atm大气压范围下烟用层流流量传感器的压力绝对误差达0.14 Pa。与温度相比，大气压对烟用层流流量传感器测量准确性的影响程度相对较小。