淺析音速?lài)娮煅b置中噴嘴間的相互影響

李鵬，暴冰，李春輝

(1.北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院，北京100029；2.河南省計(jì)量科學(xué)研究院，

河南 鄭州450008；3.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京100013)

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淺析音速?lài)娮煅b置中噴嘴間的相互影響

李鵬1，暴冰2，李春輝3

(1.北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院，北京100029；2.河南省計(jì)量科學(xué)研究院，

河南 鄭州450008；3.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京100013)

摘要：目前采用音速?lài)娮熳鳛閭鬟f標(biāo)準(zhǔn)的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置被國(guó)內(nèi)外檢測(cè)機(jī)構(gòu)廣泛使用。在使用時(shí)，將根據(jù)需要的流量使用單個(gè)或多個(gè)噴嘴組合。與國(guó)外音速?lài)娮斓膶?shí)際應(yīng)用相比較，國(guó)內(nèi)裝置在噴嘴的安裝方式、結(jié)構(gòu)排列和上游設(shè)計(jì)方面多有不同。在對(duì)裝置進(jìn)行不確定度評(píng)定時(shí)，需要考慮噴嘴間相互影響(包括數(shù)量和位置等)對(duì)流量不確定度的影響。本文基于國(guó)內(nèi)兩套音速?lài)娮旆怏w流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，利用單個(gè)、多個(gè)噴嘴的組合，測(cè)得兩組相近流量點(diǎn)下渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)，計(jì)算出不同組合的儀表系數(shù)偏差。本文考慮了實(shí)驗(yàn)時(shí)各組實(shí)際體積流量差值的影響，利用曲線擬合的方法，擬合出渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)特性曲線，給出擬合方程式。將流量不同帶來(lái)的影響剔除，最終給出噴嘴間相互影響帶來(lái)的偏差，兩套裝置得出由此影響帶來(lái)的不確定度為0.02%和0.07%。因此，在對(duì)音速?lài)娮煅b置進(jìn)行不確定度分析時(shí)應(yīng)考慮這一分量。此外，通過(guò)相近流量不同噴嘴的組合對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)和找出噴嘴的問(wèn)題，也是一種裝置期間核查的好辦法。

關(guān)鍵詞：音速?lài)娮?；擬合曲線；噴嘴組合；不確定度；相關(guān)性

1研究背景

我們習(xí)慣將臨界流文丘里管稱(chēng)為音速?lài)娮臁ｊP(guān)于音速?lài)娮斓慕Y(jié)構(gòu)和流出系數(shù)測(cè)定的研究早在20世紀(jì)50年代就已開(kāi)始。通過(guò)持續(xù)地研究，人們利用多個(gè)噴嘴的組合實(shí)現(xiàn)更大范圍流量的測(cè)量。此時(shí)，噴嘴的數(shù)量和位置及流出系數(shù)，即噴嘴之間的相互影響是需要考慮的。

1986年，波音公司設(shè)計(jì)了一套流量傳遞標(biāo)準(zhǔn)，使用162個(gè)有相同喉徑的音速?lài)娮?。試?yàn)得出單個(gè)噴組流出系數(shù)的不確定度為0.07%，噴嘴組合的不確定度為0.05%，而且從理論上講可以同時(shí)使用更多相同喉部尺寸的音速?lài)娮靃1]。福特公司設(shè)計(jì)了類(lèi)似試驗(yàn)，分別使用了5個(gè)不同構(gòu)造的噴嘴組合，在三個(gè)不同時(shí)間段進(jìn)行了15次試驗(yàn)研究長(zhǎng)期的重復(fù)性。在管道中的單個(gè)噴嘴與多噴嘴室的試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有明顯差異。由于溫度測(cè)量和壓力測(cè)量的系統(tǒng)因素影響，在不確定度與噴嘴數(shù)量之間出現(xiàn)了相關(guān)性。而且在高雷諾數(shù)下確有種現(xiàn)象或相關(guān)性導(dǎo)致了不確定度增加[2]。

韓國(guó)學(xué)者對(duì)噴嘴間的相關(guān)性進(jìn)行了研究[3-4]。首先，他們將7個(gè)同喉部尺寸的噴嘴緊密安裝在一個(gè)圓盤(pán)上，只要噴嘴中心間距與喉部直徑比L/d≥3.7而且噴嘴與盤(pán)邊緣距離≥2.3d，多個(gè)噴嘴組合的效果可以通過(guò)單一噴嘴測(cè)量得到。試驗(yàn)結(jié)果也認(rèn)為噴嘴的間距可以比4.4d更小。其次，還將三個(gè)不同喉徑的噴嘴安裝在一個(gè)圓盤(pán)上，噴嘴間距在2.1d且噴嘴距盤(pán)邊緣1.5d時(shí)，大喉徑噴嘴對(duì)小喉徑噴嘴沒(méi)有影響(d為最大喉徑的噴嘴)。

NIST使用噴嘴作為流量傳遞標(biāo)準(zhǔn)，利用3次不同噴嘴的盤(pán)狀排布方式，通過(guò)4步將流量基準(zhǔn)量值傳遞至天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)工作計(jì)量器具的量傳[5]。

在國(guó)內(nèi)，音速?lài)娮旆怏w流量標(biāo)準(zhǔn)裝置被廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)裝置與上述應(yīng)用噴嘴技術(shù)的國(guó)外裝置相比有很大的不同，國(guó)外在使用噴嘴時(shí)將其全部安裝在一個(gè)圓盤(pán)上(見(jiàn)圖1)，再將整個(gè)圓盤(pán)安裝到管路中，根據(jù)需要的流量設(shè)計(jì)相應(yīng)圓盤(pán)。

圖1　國(guó)外用于研究噴嘴組合的實(shí)驗(yàn)盤(pán)示意圖

國(guó)內(nèi)裝置在噴嘴的排布方式上，是將每個(gè)噴嘴獨(dú)立安裝，豎直或橫向一字排列。根據(jù)ISO9300：2005，當(dāng)測(cè)量大流量時(shí)，可以組合使用多個(gè)不同位置相對(duì)獨(dú)立的噴嘴[6]。此外，為了檢測(cè)不同口徑的工作計(jì)量器具，裝置設(shè)計(jì)一般會(huì)設(shè)計(jì)多條檢測(cè)管線。因此，不同喉徑的組合使用及不同位置噴嘴的使用對(duì)流量不確定度的影響值得分析和研究。

2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通常，裝置設(shè)置的音速?lài)娮鞌?shù)量在滿足被檢流量計(jì)的最大最小流量和任意一點(diǎn)流量的條件下應(yīng)盡可能少。這勢(shì)必會(huì)采取多個(gè)噴嘴組合的方式。被檢流量計(jì)的任一流量點(diǎn)可由不同的數(shù)量和位置的噴嘴進(jìn)行組合，噴嘴間的影響應(yīng)加以考慮。

為了對(duì)上述情況進(jìn)行分析，我們選取了國(guó)內(nèi)兩套音速?lài)娮旆怏w流量標(biāo)準(zhǔn)裝置(以下簡(jiǎn)稱(chēng)裝置1和裝置2)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，裝置結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖2。

圖2　裝置示意圖

根據(jù)噴嘴的喉徑尺寸和標(biāo)定的流出系數(shù)，分別計(jì)算出兩套裝置每個(gè)噴嘴的體積流量(環(huán)境條件為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度20℃，大氣壓力101.325 Pa)，然后根據(jù)表1、表2的計(jì)算值組合出7組相近體積流量的不同噴嘴組合，見(jiàn)表3、表4。按照選定的流量點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，得到流量計(jì)儀表系數(shù)。裝置1根據(jù)表3噴嘴組合檢測(cè)一臺(tái)DN150、流量范圍80～1600 m3/h的渦輪流量計(jì)。裝置2根據(jù)表4噴嘴組合檢測(cè)一臺(tái)DN150、流量范圍80～1000 m3/h的渦輪流量計(jì)。

表1　裝置1噴嘴參數(shù)

表2　裝置2噴嘴參數(shù)

表3　裝置1噴嘴組合形式

表4　裝置2噴嘴組合形式

3數(shù)據(jù)與分析

分析7組噴嘴組合實(shí)驗(yàn)得到的渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)，可以計(jì)算出儀表系數(shù)的偏差在-0.05%～0.01%之間。

在實(shí)驗(yàn)前選擇流量點(diǎn)過(guò)程中，只是根據(jù)理論計(jì)算推算出體積流量近似相等的7組組合形式。每組實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)際體積流量有0.03%～1.11%差值(見(jiàn)表3)。根據(jù)渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)特性曲線可知，其儀表系數(shù)不是一個(gè)常數(shù)，而是隨流量變化在一定范圍內(nèi)變化。所以由于實(shí)驗(yàn)的流量偏差引起的儀表系數(shù)變化應(yīng)加以考慮。

通常的做法是利用表5左側(cè)的體積流量值和渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)進(jìn)行曲線擬合，得出儀表的特性曲線，同時(shí)計(jì)算出流量與儀表系數(shù)的關(guān)系方程式，再分別計(jì)算出表5右側(cè)體積流量值對(duì)應(yīng)的擬合儀表系數(shù)。這樣可以計(jì)算出儀表系數(shù)隨流量值變化而產(chǎn)生的影響大小。

表5　裝置1測(cè)量結(jié)果

圖3曲線為流量值80 m3/h附近截取的一段擬合曲線，a點(diǎn)和b點(diǎn)是實(shí)際的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。圖中c點(diǎn)和b點(diǎn)的垂直段為同一流量點(diǎn)下的實(shí)際偏差。剔除實(shí)驗(yàn)流量不同的影響，最終可以得到不同噴嘴組合的實(shí)驗(yàn)偏差，結(jié)果見(jiàn)表6。

圖3　截取的部分?jǐn)M合曲線

組合1噴嘴編號(hào)組合2噴嘴編號(hào)實(shí)驗(yàn)偏差/%流量差影響/%噴嘴間影響DSN/%61-2-3-4-5-0.05-0.010.0471-2-3-4-5-6-0.010.010.0281-2-3-4-5-6-7-0.01-0.020.01910-0.020.020.049-110-1-0.020.000.029-1110-11-0.020.000.029-8-1110-8-110.010.000.01

前三組實(shí)驗(yàn)為單一噴嘴與多個(gè)噴嘴對(duì)同一流量點(diǎn)檢測(cè)的比較。多個(gè)噴嘴組合比單一噴嘴測(cè)得的儀表系數(shù)小，這種影響隨著流量的增大而減弱。第四組實(shí)驗(yàn)為兩個(gè)同一流量的單一噴嘴安裝在不同位置的實(shí)驗(yàn)，距離管道較遠(yuǎn)處測(cè)得的儀表系數(shù)小，這一現(xiàn)象隨著流量的增加而減弱。后三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

在檢測(cè)過(guò)程中，很多流量點(diǎn)的測(cè)量都是通過(guò)兩個(gè)或多個(gè)噴嘴組合完成的，所以應(yīng)考慮這一噴嘴間相互影響帶來(lái)的不確定度。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)盡可能使用距離實(shí)驗(yàn)直管線更近的噴嘴或噴嘴組。本次實(shí)驗(yàn)以噴嘴組合1的儀表系數(shù)為參考值，即Kref，基于相同流量下噴嘴組合2測(cè)量得到的儀表系數(shù)K，可得到噴嘴組合影響參數(shù)DSN。

(1)

依據(jù)式(1)計(jì)算得到的噴嘴組合影響參數(shù)可求得噴嘴相互影響的不確定度，即

(2)

本裝置噴嘴相互影響的不確定度為0.02%。本裝置的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.15%，噴嘴相互影響不確定度小于裝置不確定度的三分之一，裝置不確定度分析中可不考慮該項(xiàng)影響。

第一次實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)同一流量下測(cè)得的儀表系數(shù)偏差很大，前三組數(shù)據(jù)尤為明顯。根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算出裝置2噴嘴相互影響的不確定度為0.14%，大于本裝置的標(biāo)準(zhǔn)不確定度0.15%的三分之一。實(shí)驗(yàn)后對(duì)裝置進(jìn)行了問(wèn)題查找。在對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)用到的噴嘴進(jìn)行清洗維護(hù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)6號(hào)噴嘴被污垢部分堵塞。處理后再次對(duì)流量組合進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)，同一流量下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差明顯好于第一次。剔除流量差的影響，該裝置小流量的噴嘴間相互影響明顯大于大流量下的影響。根據(jù)公式(1)、(2)，計(jì)算出本裝置噴嘴相互影響的不確定度為0.07%。噴嘴相互影響不確定度大于裝置不確定度的1/3，裝置不確定度分析中應(yīng)考慮該項(xiàng)影響。表7、表8分別為裝置2和剔除流量影響后的測(cè)量結(jié)果。

表7　裝置2測(cè)量結(jié)果

表8　剔除流量影響后的測(cè)量結(jié)果

4結(jié)論

1)同一噴嘴裝置采用多個(gè)噴嘴組合的方法對(duì)被檢表進(jìn)行檢定實(shí)驗(yàn)，多個(gè)不同喉部尺寸的噴嘴之間存在相互影響。由于噴嘴加工、安裝和使用影響，不同音速?lài)娮煅b置間多個(gè)噴嘴組合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不同的。所以在對(duì)音速?lài)娮煅b置進(jìn)行不確定度分析時(shí)應(yīng)引入這一不確定度分量，這樣，標(biāo)準(zhǔn)裝置的評(píng)價(jià)工作以及流量計(jì)校準(zhǔn)的結(jié)果才更加科學(xué)和準(zhǔn)確。

2)噴嘴間的相互影響在流量小時(shí)更為明顯，所以在使用裝置檢測(cè)小流量時(shí)，選擇單個(gè)噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以減小對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

3)通過(guò)不同噴嘴組合的噴嘴對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)和找出噴嘴的問(wèn)題。裝置在使用時(shí)，檢測(cè)一些常用流量點(diǎn)都使用固定噴嘴或噴嘴組合，所以長(zhǎng)期使用某一噴嘴可能對(duì)其造成影響。在進(jìn)行噴嘴裝置設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮同時(shí)安裝幾個(gè)相同口徑的噴嘴，既可以交替使用，也可以通過(guò)組合的方式對(duì)裝置進(jìn)行核查。

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Interaction Between Sonic Nozzles in Device

LI Peng1，BAO Bing2，LI Chunhui3

(1.Beijing Institute of Metrology，Beijing 100029，China；2.Province Institute of Metrology of Henan，Zhengzhou 450008，China；

3.National Institute of Metrology，Beijing 100013，China)

Abstract：At present，the nozzle as gas flow transfer standard device is widely used in domestic and foreign testing organizations.In application，the selection of a single nozzle，a couple of nozzles or several nozzles depends on the required flow.Compared with the practical application of sonic nozzles abroad，domestic plants are different in such aspects as nozzle installation method，structure arrangement and the upstream design.In uncertainty evaluation，the interaction(numbers and positions)between nozzles should be considered.Two sets of sonic nozzle gas flow standard device from Beijing and Henan are chosen to measure two groups of similar flow points with turbine flow meter and calculate the deviation coefficients of different combinations of instruments.The uncertainty from this phenomenon is 0.02% and 0.07% respectively.Obviously，because of the nozzle processing，installation and use，two sets of sonic nozzle by means of experimental results are quite different.So the uncertainty analysis for the sonic nozzle device should consider this component.The job for evaluation of the standard device can be more scientific and accurate in this way.

Key words：sonic nozzle；fitting curve；nozzle combination；uncertainty；correlation

作者簡(jiǎn)介：李鵬(1983-)，男，碩士，工程師，從事壓力氣體流量研究。

收稿日期：2015-06-02

中圖分類(lèi)號(hào)：TB937

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-5795(2015)05-0052-05

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.05.12