音速噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置的檢測

曹久瑩

（江蘇省計量科學(xué)研究院，南京 210007）

0 引言

膜式燃?xì)獗淼臋z定裝置目前主要有鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為傳統(tǒng)的氣體容積式燃?xì)獗頇z定裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠、量值傳遞準(zhǔn)確等特點(diǎn)，適合實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行高精度的檢測使用。標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置近年來發(fā)展迅速，其中又以標(biāo)準(zhǔn)表為音速噴嘴的裝置使用最為廣泛。音速噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置是以一組音速噴嘴作為標(biāo)準(zhǔn)表，通過計算機(jī)控制不同流量值的音速噴嘴之間的組合以達(dá)到所需流量，并對標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表前后的壓力、溫度進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)流量控制和數(shù)據(jù)處理，具有操作簡便、控制精度高等特點(diǎn)，與鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置相比，檢測效率大大提高，近年來廣泛應(yīng)用于計量檢測部門和燃?xì)夤镜娜細(xì)獗頇z定工作中。

作為一種新型的燃?xì)獗頇z定裝置，依據(jù)國家現(xiàn)有規(guī)程或規(guī)范對其進(jìn)行檢測也有很大的特殊性。本文將結(jié)合音速噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置（以下簡稱裝置）的原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對實(shí)際工作中遇到的檢測方面的問題進(jìn)行討論，并進(jìn)行不確定度分析。

1 裝置的結(jié)構(gòu)和原理

裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)表（音速噴嘴組）、試驗(yàn)管路、動力系統(tǒng)、溫壓修正系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)等組成（見圖1）。目前常見的多為負(fù)壓法裝置，采用真空泵作為氣源，通過真空泵的抽氣實(shí)現(xiàn)整個試驗(yàn)管路中空氣的流動。在音速噴嘴和被檢燃?xì)獗砬昂蟀惭b有溫度、壓力傳感器，用于測量當(dāng)前狀態(tài)下的介質(zhì)溫度和壓力。通過計算機(jī)控制音速噴嘴的不同組合，達(dá)到所需的流量值，結(jié)合溫度、壓力修正，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并得出誤差值。

裝置中作為標(biāo)準(zhǔn)表的音速噴嘴一般采用音速文丘里噴嘴，與經(jīng)典的文丘里管類似，在最小斷面（即喉部）后面連接有出口擴(kuò)張段。根據(jù)音速噴嘴的臨界流特性，當(dāng)氣體通過噴嘴時，在噴嘴上、下游氣流壓力比達(dá)到某一特定數(shù)值的條件下，噴嘴喉部形成臨界狀態(tài)，氣流達(dá)到最大速度（當(dāng)?shù)匾羲伲?，流過噴嘴的氣體質(zhì)量流量也達(dá)到最大。此時氣體流量只與噴嘴人口處的滯止壓力和滯止溫度有關(guān)，而不受其下游狀態(tài)變化的影響。

圖1 音速噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置結(jié)構(gòu)示思圖

2 檢測中問題探討

目前，裝置的檢測項(xiàng)目和方法通常是按照J(rèn)JG 643—2003《標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程》的規(guī)定進(jìn)行，項(xiàng)目主要有一般檢查、密封性試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)流量計檢定、計時器檢定、流量穩(wěn)定性檢定、不確定度評定等。，針對使用臨界流文丘里噴嘴這種特殊的標(biāo)準(zhǔn)表的標(biāo)準(zhǔn)裝置，國家頒布了JJF 1240—2010《臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范》，以加強(qiáng)對這類裝置的管理。按照該規(guī)范要求，增加了臨界背壓比試驗(yàn)。

大多數(shù)裝置在出廠之前，廠家會將音速噴嘴、壓力傳感器、溫度傳感器和晶振等送到當(dāng)?shù)氐挠嬃坎块T進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)，取得檢定/校準(zhǔn)證書。在現(xiàn)場檢測裝置時所要做的項(xiàng)目則為一般檢查、密封性和流量穩(wěn)定性，有時還需要做計時器時間間隔，若依據(jù)JJF 1240—2010 則還要進(jìn)行臨界背壓比試驗(yàn)。因?yàn)楹推胀ǖ臉?biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置相比還是有所不同，在檢測過程中也遇到一些疑問，下面逐一進(jìn)行討論。

2.1 密封性試驗(yàn)

JJG 643—2003 中對裝置密封性要求“在工作壓力下裝置各部件的連接處不應(yīng)有泄漏現(xiàn)象”，具體檢測時，如何判定“有泄漏”，泄漏量多少以內(nèi)算合格呢？ 一般的做法為將真空泵打開，達(dá)到正常工作狀態(tài)后關(guān)閉裝置進(jìn)出氣口，待穩(wěn)定后觀察裝置內(nèi)壓力數(shù)值變化情況，壓力沒有變化即為“無泄漏”。JJF 1240—2010 中對密封性試驗(yàn)的方法做了更為詳細(xì)具體的規(guī)定：開啟真空泵達(dá)到最低壓力后關(guān)閉閥門保持5min，裝置滯止容器內(nèi)絕對壓力與絕對溫度比值的變化率應(yīng)不超過0.1%。個人認(rèn)為這樣量化的規(guī)定更便于實(shí)際工作的開展，因此，在實(shí)際檢測工作中我們也基本上按此要求進(jìn)行密封性的試驗(yàn)。不過前提是被檢裝置的計算機(jī)控制界面上能實(shí)時顯示滯止容器的壓力溫度值。

2.2 計時器

裝置上的計時器需進(jìn)行晶振8h 穩(wěn)定度和時間間隔的檢定，出于對裝置整體性能的考慮，個人認(rèn)為在裝置上進(jìn)行計時器的檢定更為合適。對于沒有附帶計時器檢定證書的裝置，按照J(rèn)JG 643—2003的規(guī)定方法進(jìn)行相應(yīng)的檢測。這里需要裝置生產(chǎn)廠家預(yù)先留好計時器晶振時間輸出的接口，以便連接標(biāo)準(zhǔn)計時器。檢定計時器時間間隔時，將標(biāo)準(zhǔn)計時器與裝置上的時間輸出相連接，啟動裝置運(yùn)行，同步啟停標(biāo)準(zhǔn)和被檢計時器，以一次檢定的最短測量時間為時間間隔，讀取標(biāo)準(zhǔn)和被檢的示值完成一次檢定。

2.3 流量穩(wěn)定性

流量穩(wěn)定性是反映流量裝置計量性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。JJG 643—2003 中規(guī)定對每條管線的最大流量和最小流量進(jìn)行穩(wěn)定性檢定，JJF 1240—2010 中則要求在最大和最小流量中間再選取不少于兩個流量點(diǎn)進(jìn)行裝置的穩(wěn)定性試驗(yàn)。考慮到音速噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置實(shí)際為多臺被檢表串聯(lián)在1 條管線上，且流量范圍按照家用膜式燃?xì)獗淼牧髁糠秶O(shè)定，普遍在0～6m3/h，因此個人認(rèn)為進(jìn)行最大和最小流量點(diǎn)的穩(wěn)定性試驗(yàn)即可。對于檢定工業(yè)用燃?xì)獗淼囊羲賴娮煅b置，其流量范圍大大增加，可以考慮在最大和最小流量點(diǎn)之間適當(dāng)選取幾個點(diǎn)增加穩(wěn)定性試驗(yàn)，以保正裝置穩(wěn)定性的要求。

2.4 臨界背壓比試驗(yàn)

JJF 1240—2010 中要求在裝置上進(jìn)行噴嘴的臨界背壓比試驗(yàn)，目的是為了驗(yàn)證裝置的音速噴嘴在使用過程中是否保持在臨界流的狀態(tài)。臨界背壓比是指當(dāng)滯止參數(shù)一定，通過噴嘴的質(zhì)量流量達(dá)到最大時，噴嘴出口處靜態(tài)壓力與其上游滯止壓力之比的最大值。試驗(yàn)時，選定待測噴嘴，開啟裝置的真空泵，當(dāng)背壓比達(dá)到某一值，關(guān)閉真空泵，記錄此時試驗(yàn)用流量計顯示的流量值和背壓比。背壓比每增加一個固定值，記錄試驗(yàn)用流量計顯示的流量值和背壓比。當(dāng)試驗(yàn)用流量計顯示的流量示值剛剛開始下降′ 背壓比即為該噴嘴的臨界背壓比。這里需要選擇合適的試驗(yàn)用流量計，，裝置需預(yù)留連接該流量計的管路。考慮到不同規(guī)格的裝置所使用的試驗(yàn)用流量計會不同，建議同一地區(qū)的裝置生產(chǎn)廠家充分考慮試驗(yàn)的要求，對裝置進(jìn)行改造，以滿足規(guī)范要求。

2.5 串聯(lián)臺位差試驗(yàn)

目前使用較多的裝置大多為6 工位或12 工位串聯(lián)臺位，可以同時進(jìn)行6 臺或12 臺甚至更多臺燃?xì)獗淼臋z定。多臺被檢表串聯(lián)在一起，通過每臺被檢表的氣體狀態(tài)是否一致，流量是否相同，假如流量不一致對每臺被檢表示值誤差是否有影響，有多大的影響等等，都是關(guān)系到燃?xì)獗頇z定準(zhǔn)確與否的問題，需要加以考慮。建議進(jìn)行裝置的串聯(lián)臺位差試驗(yàn)，挑選一塊穩(wěn)定性好的燃?xì)獗?，依次在每個臺位上進(jìn)行檢定，按照檢定規(guī)程的要求選擇流量點(diǎn)和檢定次數(shù)，比較同一流量點(diǎn)下每個臺位測得的示值誤差，計算最大差值。另一方面，可以在某個固定流量點(diǎn)下，在一次檢定時間內(nèi)，用標(biāo)準(zhǔn)流量計、溫度計和壓力計測量每個臺位處的流量值和溫度、壓力值，計算溫壓修正后的示值誤差，并與計算機(jī)顯示的示值誤差結(jié)果進(jìn)行比較。個人認(rèn)為對于串聯(lián)檢定多臺被檢表的裝置可以進(jìn)行這一試驗(yàn)，以便更好地評判裝置整體性能。

3 不確定度分析

3.1 數(shù)學(xué)模型

噴嘴的體積流量：

式中：qv為噴嘴的體積流量；Cd為噴嘴的流出系數(shù)；A*為噴嘴的喉部面積；C*為氣體臨界流函數(shù)；Z為壓縮系數(shù)；M為氣體摩爾質(zhì)量；R為通用氣體常數(shù)；p0、T0分別為噴嘴上游滯止壓力、滯止溫度；p、T分別為被檢表處壓力、溫度。

由于氣體摩爾質(zhì)量M、通用氣體常數(shù)R和壓縮系數(shù)Z的相對不確定度非常小，通常可忽略其影響；而檢定音速噴嘴和用音速噴嘴裝置檢定燃?xì)獗砭褂每諝鉃榻橘|(zhì)，且氣體狀態(tài)相同，故噴嘴的喉部面積A*和氣體臨界流函數(shù)C*帶來的不確定度可視為零。

3.2 流出系數(shù)的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

目前大多數(shù)裝置使用的是0.2 級的音速噴嘴：

3.3 上游滯止壓力的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

裝置上使用的絕壓變送器準(zhǔn)確度為0.2 級，按矩形分布考慮：

3.4 上游滯止溫度的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

裝置上使用的溫度傳感器最大允許誤差為±0.2℃，設(shè)氣體溫度為20℃，按矩形分布考慮：

3.5 被檢燃?xì)獗硖帀毫Φ南鄬?biāo)準(zhǔn)不確定度

3.6 被檢燃?xì)獗硖帨囟鹊南鄬?biāo)準(zhǔn)不確定度

3.7 體積流量的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

3.8 計時器的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

大多數(shù)裝置能夠顯示的時間至少為0.001s，標(biāo)準(zhǔn)計時器的允許誤差一般為1 ×10-8，一次檢定的最短測量時間設(shè)為60s，參考平時檢定工作中得到的計時器檢定數(shù)據(jù)，以某一次檢定結(jié)果為例：

3.9 裝置合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

3.10 裝置擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4 結(jié)束語

音速噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置利用音速噴嘴的優(yōu)點(diǎn)，可以多臺燃?xì)獗硗瑫r檢定，且整個檢定和數(shù)據(jù)處理過程實(shí)現(xiàn)自動化，大大提高工作效率。隨著燃?xì)獗硇袠I(yè)的發(fā)展，音速噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置將會越來越廣泛地應(yīng)用于計量檢測部門和燃?xì)獗砩a(chǎn)廠家，對其計量性能的確認(rèn)，也是計量檢定人員需要在工作中認(rèn)真研究的問題。