臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置校準方法的研究

程旭然

（天津航空機電有限公司，天津 300000）

0 引言

臨界流文丘里噴嘴（簡稱音速噴嘴）應用廣泛，尤其在航空航天、石油化工等領域，該裝置可應用于流量測量或作為氣體流量標準裝置，具有結構簡便、維護方便以及高重復性、穩定性及準確性等特點。

國內計量檢定機構采用的氣體流量標準裝置均采用負壓法，應用真空泵提供動力源，其噴嘴的滯止壓力即為大氣壓。正壓法應用空壓機作為氣源，不必考慮干燥、凈化等裝置帶來的壓損。正壓法很難提高流量穩定性，相比于負壓法，正壓法提供了與被測流量計的工作條件更為接近的工況[2]。

針對本單位擬組建一套臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置（以下簡稱標準裝置）的測試驗收工作，發現JJF1240-2010《臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置校準規范》在氣密性檢查及初始流量調節時間等方面考核不全面，同時缺乏正壓法流量測試系統臨界背壓比的具體測試方法。

1 臨界流文丘里噴嘴工作原理

音速噴嘴原理公式：

式中：qm 為質量流量(kg/s)，A＊為喉部內截面積(m2)，C 為流出系數，C＊為臨界流函數，P0 為滯止壓力(Pa)，T0 為滯止溫度(K)，R 為通用氣體常數，M 為摩爾質量(g/mol)[3]。

2 裝置技術指標及組成

2.1 裝置技術指標

技術指標：

1)壓力：采用正壓法；

2)流量范圍：0～3000kg/h；

3)檢定介質：空氣；

4)臨界流文丘里噴嘴流出系數不確定度：0.2%；

5)裝置總不確定度：0.23%。

圖1 氣體個標準裝置流程圖

2.2 裝置組成

該裝置第一部分為氣源部分，即空壓機的壓縮空氣經前過濾器、干燥機、后過濾器、儲氣罐到達被指控精過濾器，經過濾后得到高品質氣源，第二部分為調節系統，主要由噴嘴上游壓力變送器和溫度變送器，以及下游滯止容器、噴嘴及調節噴嘴流量的閥門組成。第三部分主要由被檢試件出口及入口的測溫和測壓儀表構成以及安裝被檢試件的試驗工裝組成，同時包括供電系統，數據測量系統，以及輔助的管線等，如圖1 所示。

3 若干裝置校準問題的探討

3.1 氣密性檢驗

3.1.1 存在問題

依據JJF1240-2010，關于密封的評估只需要檢查裝置的靜態情況，而對于在工作過程中可能發生的泄漏現象未做要求，因此在實際工作中不容易發現由于密封性差而導致失真。

通常，要檢查在工作壓力下每個組件的連接處是否存在漏氣來評價氣密性。但是，上述密封檢查方法可以在靜態條件下檢查裝置的密封狀態。 由于多個噴嘴的組合，如果其他噴嘴零件的閥門沒有關閉到位或出現暫時性故障，并且發生少量泄漏，則不容易被發現，不可避免地會影響測試結果， 特別是在小流量點的測量中。

3.1.2 氣密性檢驗方法改進

針對以上問題，提出了針對計量段泄露進行全方位的系統氣密性檢查方法。

用于音速噴嘴對應的氣動閥門泄露檢查。首先打開系統所有閥門放空系統壓力到大氣壓，再打開進氣

總閥，調節閥組開度給到100%，自力閥1 調整到全開位置，靠近匯流容器的氣動球閥關閉3，給此段管路充氣，當滯止容器壓力達到500kpa 時關閉靠近滯止容器的氣動球閥2，當滯止容器壓力達到750kpa 時進氣總閥自動關閉，觀察管路上壓力變送器5 的壓力變化（泄露判斷方法同上），如果正報警，說明靠近滯止容器的氣動球閥有內泄露，如果負泄露，說明靠近匯流容器的氣動球閥有內泄露。找出對應的氣動球閥后拆下檢查處理。

3.2 臨界背壓比測試

3.2.1 存在問題

JJF1240-2010 未給出明確的正壓法臨界背壓比測試方法。

3.2.2 臨界被壓比測試

當噴嘴入口處的停滯壓力和停滯溫度恒定時，通過噴嘴的質量流量也恒定，這是校準氣體流量計的基礎。

以本單位標準裝置為例，其中壓力變送器P0 為入口壓力，P3 為出口壓力，通過提高P3 壓力使噴嘴達到臨界狀態，進而獲得臨界背壓比。

此項測試適用于噴嘴首次安裝在使用裝置上進行臨界背壓比的實際測量。具體測試方法如下：系統安裝完成后，測試段選用一條DN65 的管道用金屬軟管連通，測試管線閥門全部打開，自力式調節閥2 打開，調節背壓調節閥。系統充氣走正常測試流程，打開一個噴嘴（如：50kg/h），待流量穩定后再慢慢關閉末端背壓閥，記錄此時噴嘴流量值及P3 及P0 的值。此時保持P0 穩定，P3 數值緩慢增加。待P3 接近P0，P0 出現顯著上升。記錄此時P3 值。再用這個P3 壓力除以原流量穩定時的滯止壓力P0，就得出了該噴嘴的臨界背壓比，其它噴嘴同理得出背壓比。實測各臨界背壓比結果如下表：

表2 臨界背壓比測試數據

3.3 初始流量調節時間校準

3.3.1 存在問題

在現有裝置中，噴嘴前面有很大的“管道容積”，在原有校準方法中，未規定預通氣時間。因此，存在當設備監測到噴嘴已達到臨界流量狀態時，被測流量計尚未達到驗證狀態或者沒有運行的可能。在原校準方法中未規定預通風時間。 因此，被測試件有可能仍未達到驗證狀態。

但JJF1240-2010 中并未給出初始流量調節時間校準的方法及具體要求。

3.3.2 初始流量調節時間校準方法的確定

通過長期的實驗觀察，發現在設定較小的流量點時，預通風時間的長短將直接影響被測流量計是否已穩定到預定的流量點，這很容易影響到校準結果。

原因是從儀表到噴嘴入口的“管道容量”很大。當設定較小的流量時，如果設定的預通風時間短，則噴嘴可能已達到臨界流量狀態，并且被測流量計的流量對于被測流量點仍然不穩定。如果此時進入校準狀態，則會有較大的偏差。

用空管連通整個管路系統，關閉氣動閥門15-24。自力閥調整到全開位置，打開進氣總閥，關閉滯止容器排空閥，對裝置進行通氣。使滯止容器內的壓力穩定在550kPa±1kPa 時記錄通氣時間，以實際應用要求確定時間要求。

4 裝置系統測量不確定度的評定

依據文丘里噴嘴流量原理模型，噴嘴的檢定與使用條件、介質是相同的，因此A＊、C＊、M、R 的值相同，忽略它們的不確定度[4]。因為使用了凈化和干燥的裝置，可得到干燥空氣，故不考慮臨界流量函數C＊及氣體的摩爾質量M 的變化。因此，試驗臺不確定度分析主要考慮：流出系數C、噴嘴前滯止壓力P0、噴嘴前滯止溫度T0、被試流量計前壓力被試流量計前溫度及測控系統采集卡。

故標準不確定度評定包含以下內容：

1)噴嘴流出系數引入的的相對標準不確定度u(c)：依據檢定證書，流出系數的相對擴展不確定度為0.2%，k=2，則u(c)=0.1%。

2)噴嘴滯止壓力測量的相對標準不確定度u(p0)：應用壓力變送器測量滯止壓力，根據證書，允許誤差為P=±0.05%，按矩形分布，則u(pa)=0.05%/=0.029%。

3) 噴嘴滯止溫度測量的相對標準不確定度u(T0)：應用溫度變送器測量噴嘴前的滯止溫度，允許誤差為±0.1 ℃，則室溫下得相對誤差D=±0.1/(273.15+20)=0.034%，按矩形分布考慮，u(Ta)=0.034%/ ?=0.02%。

4) 被校流量計處溫度的相對標準不確定度u(T)：采用溫度變送器檢測被校流量計處的溫度，允許誤差為±0.1 ℃，取室溫下得相對誤差D=±0.1/(273.15+20)=0.034%，按矩形分布考慮，u(T)=0.034%/=0.02%。

5)被校流量計處壓力測量的相對標準不確定度u(p)：被校流量計處壓力測量采用溫度變送器，根據證書給定數據，壓力允許誤差為P=±0.05%，按矩形分布考慮，則u(p0)=0.05%/=0.029%。

6)測量系統采集精度的相對標準不確定度u 測：測控系統采集卡檢定結果可得采集裝置相對擴展不確定度為0.06%，k=2，則u 測=0.03%。

標準不確定度計算如下，其中合成標準不確定度：合成擴展不確定度：

5 結論

結合建立的正壓法文丘里噴嘴氣體流量標準裝置，通過對JJF1240-2010 要求的梳理分析，提出了針對正壓法流量校準裝置臨界背壓比的校準方法，同時給出了對于氣密性及流量調節時間的具體可參照校準方式?？蔀檎龎悍ㄎ那鹄飮娮鞖怏w流量標準裝置的校準和設計提供有效參考。