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Investigation of Components for Flow Calibration in Particulate Matter Samplers
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摘要: 颗粒物采样器是一种监测空气的采样和评估设备。目前，常用于采样器流量标定的元器件孔口流量计表现出线性度差、长期稳定性差的特点，且其在颗粒物采样器常用的1～120 L/min流量范围上的流量测量不确定度较大。为探索出更多可用于颗粒物采样器流量标定的元器件，通过分析不同流量计的优缺点及适用采样器流量标定的情况，以能够保证加工精度和较低加工成本的孔板及喷嘴元器件为设计对象。采用计算流体动力学CFD对不同流量范围的孔板、喷嘴元器件进行仿真，选择1～120 L/min流量范围内线性度较好的孔板及喷嘴元器件作为加工对象，根据差压流量计国标要求及仿真提供的结构参数，加工出符合要求的孔板及喷嘴元器件，并对加工出的流量元器件进行实验验证，最终设计出0.5～5 L/min、5～10 L/min、10～120 L/min三种流量范围的孔板流量计可用于颗粒物采样器的流量标定。流量范围内孔板流量计表现出械加工一致性好、流出系数线性度优于1.0%，流量长期稳定性优于1.5%以内的特点，可对后期气体采样器流量标定的元器件设计提供理论支撑，也可为采样器流量标定的元器件选型提供更多选择。Abstract: Particulate matter samplers serve as essential instruments for air monitoring, facilitating the sampling and assessment of air quality. Conventionally, orifice flowmeters utilized for flow calibration in these samplers have demonstrated inadequate linearity and long-term stability, exhibiting significant uncertainty in flow measurement within the prevalent range of 1-120 L/min. This research aims to unveil alternative components capable of enhancing the flow calibration of particulate matter samplers. An in-depth analysis was conducted, scrutinizing the merits and shortcomings of various flowmeters in relevance to their applicability in sampler flow calibration. Priority was given to the design of orifice plates and nozzle components that assure precise manufacturing and cost-efficiency. Employing Computational Fluid Dynamics (CFD), simulations were executed to evaluate the performance of these components across distinct flow ranges. Components manifesting superior linearity within the 1-120 L/min range were selected for further processing. Compliance with national standards for differential pressure flowmeters and adherence to simulation-derived structural parameters were ensured during the manufacturing of these components, followed by rigorous experimental validation. The study culminates in the design of orifice flowmeters optimized for flow ranges of 0.5-5 L/min, 5-10 L/min, and 10-120 L/min, proving instrumental for the flow calibration of particulate matter samplers. Within these ranges, the orifice flowmeters exhibit commendable mechanical processing consistency, an outflow coefficient linearity surpassing 1.0%, and long-term flow stability within a 1.5% margin. These findings are instrumental, providing pivotal theoretical insights for the future design of gas sampler flow calibration components and broadening the array of choices available for sampler flow calibration components.
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图 3 孔口流量计连续两年倍率变化情况
Figure 3. Change in magnification of orifice flowmeters over two consecutive years
图 8 孔板与喷嘴在不同流量下的线性度
Figure 8. Linearity of orifice plates and nozzles at various flow rates
图 15 1～10 L/min的7块孔板流出系数对比
Figure 15. Comparison of outflow coefficients for seven orifice plates at 1 to 10 L/min
图 16 10～120 L/min的7块孔板流出系数对比
Figure 16. Comparison of outflow coefficients for seven orifice plates at 10 to 120 L/min
图 17 1～10 L/min孔板连续两年的测试结果
Figure 17. Test results of 1 to 10 L/min orifice plates over two consecutive years
图 18 10～120 L/min孔板连续两年的测试结果
Figure 18. Test results of 10 to 120 L/min orifice plates over two consecutive years
表 1 相同型号孔口的流出系数对比
Table 1. Comparison of outflow coefficients of the same type orifice
序号 Z-1 Z-2 表号 流出系数 表号 流出系数 1 504020094663 0.5927 5410A18053554 0.4917 2 504020094702 0.6096 5410A18084335 0.5334 3 504020094710 0.5972 5410A19025334 0.4766 4 — — 5410A19108132 0.4717 相对标准差 1.46% 5.68% 
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表 2 孔口流量计信息
Table 2. Information of orifice flowmeters
序号 厂家代号 标称流量范围 测量年限 1 L 5～130 L/min 一：2021年
二：2022年2 Z 80～120 L/min 3 Z 5～130 L/min 4 L 10～100 L/min
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表 3 20 mL/min～1200 L/min孔板设计参数表
Table 3. Design parameters of orifice plates from 20 mL/min to 1200 L/min
序号 参数 定义 单位 设计标准 1 E 孔板厚度 mm e与0.02D之间 2 D 管道内径 mm 5～15 3 d 孔径 mm 2.4～6 4 e 节流孔厚度 mm 0.005D与0.02D之间 5 α 倒角 ° 45°±15°，斜面精加工 6 G 边缘度 ° 无毛边，0.0004d 7 H 边缘度 ° 无毛边，0.0004d 8 I 边缘度 ° 无毛边，0.0004d 9 A平整 上游端面平整度 mm 0.005（D-d）/2 10 μ-A 上游面粗糙度 mm <10−4d 11 μ-B 下游面粗糙度 mm 无需如上游严格 12 B平整 下游端面平整度 / 目测
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表 4 孔板几何尺寸表
Table 4. Geometrical dimensions of the orifice plate
流量下限/
（L/min）流量上限/
（L/min）β值 D d E e 0.02 0.1 0.25、0.3、0.4 2 0.5 0.4 0.25 0.1 1 0.25、0.3、0.4 3 1.2 0.6 0.4 1 10 0.25、0.3、0.4 8 3.2 1.6 1.2 10 120 0.4、0.5、0.65 15 9.75 3.2 2 100 1200 0.6、0.8 30 24 3.2 2
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表 5 喷嘴几何尺寸表
Table 5. Geometrical dimensions of the nozzle
流量下限
L/min流量上限
L/minβ值 管道直径
mm喉径
mmReD
下限ReD
上限0.02 0.1 0.25、0.3、0.4 2 0.5 14.53 72.67 0.1 1 0.25、0.3、0.4 4 1.2 36.34 363.37 1 10 0.3、0.4 8 2.4 181.68 1816.84 10 100 0.3、0.45 15 6.75 968.98 9689.84 100 1200 0.5、0.6 32 16 4542.11 54505.34
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表 6 1～10 L/min孔板几何结构加工数据
Table 6. The geometric processing data of the
名称 流量
L/minβ值 管道直径
mm密度
kg/m3动力粘度 ReD 1～10 L/min
孔板1 0.4 8 1.225 1.7894×10−5 181.59 2.5 0.4 8 1.225 453.98 5 0.4 8 1.225 907.96 7.5 0.4 8 1.225 1361.94 10 0.4 8 1.225 1815.92
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表 7 1～10 L/min喷嘴几何结构加工数据
Table 7. Geometric structure processing data of the nozzle from 1 to 10 L/min
名称 流量
L/minβ值 管道直径
mm密度
kg/m3动力粘度 ReD 1～
10 L/min
喷嘴1 0.3 8 1.225 1.7894×10−5 197.21 2.5 0.3 8 1.225 491.03 5 0.3 8 1.225 970.79 7.5 0.3 8 1.225 1431.49 10 0.3 8 1.225 1865.32
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表 8 10～120 L/min孔板几何结构加工数据
Table 8. Geometric structure processing data of the orifice plate from 10 to 120 L/min
名称 流量L/min β值 管道直径mm 节流处直径mm 密度kg/m3 动力粘度 ReD 10～120 L/min孔板 10 0.4 15 6 1.225 1.7894×10−5 942.83 25 0.4 15 6 1.225 2360.41 50 0.4 15 6 1.225 4720.72 75 0.4 15 6 1.225 7316.77 120 0.4 15 6 1.225 11564.48
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表 9 10～120 L/min喷嘴几何结构加工数据
Table 9. Geometric structure processing data of the nozzle from 10 to 120 L/min
名称 流量L/min β值 管道直径mm 节流处直径mm 密度kg/m3 动力粘度 ReD 10～120 L/min喷嘴 10 0.45 15 6.75 1.225 1.7894×10−5 944.47 25 0.45 15 6.75 1.225 2360.41 50 0.45 15 6.75 1.225 4720.72 75 0.45 15 6.75 1.225 7316.77 120 0.45 15 6.75 1.225 11564.48
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表 10 0.5～5 L/min孔板流出系数
Table 10. Orifice outflow coefficients from 0.5 to 5 L/min
流量
L/minβ值 管道直径
mmReD 差压值
Pa流量系数 线性度 0.5 0.4 6 119 3.7 0.7072 0.75% 1.25 298 23.5 0.7002 2.5 595 94.9 0.7005 3.75 893 226.4 0.6928 5 1191 404.9 0.6900
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表 11 用于1～120 L/min的孔板流量计
Table 11. Orifice flowmeters for 1 to 120 L/min
流量范围
L/min入口雷诺数 D
mmd
mmE
mme
mmφ
°l1 l2 0.5~5 190~1905 6 2.4 1.6 1.2 45 D D/2 5~10 181~1815 8 3.2 1.6 1.2 45 D D/2 10~120 1400~11500 15 6 3.2 2 45 D D/2
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