臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)方法的研究

程旭然

（天津航空機(jī)電有限公司，天津 300000）

0 引言

臨界流文丘里噴嘴（簡(jiǎn)稱音速噴嘴）應(yīng)用廣泛，尤其在航空航天、石油化工等領(lǐng)域，該裝置可應(yīng)用于流量測(cè)量或作為氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、維護(hù)方便以及高重復(fù)性、穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性等特點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)采用的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置均采用負(fù)壓法，應(yīng)用真空泵提供動(dòng)力源，其噴嘴的滯止壓力即為大氣壓。正壓法應(yīng)用空壓機(jī)作為氣源，不必考慮干燥、凈化等裝置帶來(lái)的壓損。正壓法很難提高流量穩(wěn)定性，相比于負(fù)壓法，正壓法提供了與被測(cè)流量計(jì)的工作條件更為接近的工況[2]。

針對(duì)本單位擬組建一套臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)裝置）的測(cè)試驗(yàn)收工作，發(fā)現(xiàn)JJF1240-2010《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》在氣密性檢查及初始流量調(diào)節(jié)時(shí)間等方面考核不全面，同時(shí)缺乏正壓法流量測(cè)試系統(tǒng)臨界背壓比的具體測(cè)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(zhì)量流量(kg/s)，A＊為喉部?jī)?nèi)截面積(m2)，C 為流出系數(shù)，C＊為臨界流函數(shù)，P0 為滯止壓力(Pa)，T0 為滯止溫度(K)，R 為通用氣體常數(shù)，M 為摩爾質(zhì)量(g/mol)[3]。

2 裝置技術(shù)指標(biāo)及組成

2.1 裝置技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)：

1)壓力：采用正壓法；

2)流量范圍：0～3000kg/h；

3)檢定介質(zhì)：空氣；

4)臨界流文丘里噴嘴流出系數(shù)不確定度：0.2%；

5)裝置總不確定度：0.23%。

圖1 氣體個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的壓縮空氣經(jīng)前過(guò)濾器、干燥機(jī)、后過(guò)濾器、儲(chǔ)氣罐到達(dá)被指控精過(guò)濾器，經(jīng)過(guò)濾后得到高品質(zhì)氣源，第二部分為調(diào)節(jié)系統(tǒng)，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(diào)節(jié)噴嘴流量的閥門(mén)組成。第三部分主要由被檢試件出口及入口的測(cè)溫和測(cè)壓儀表構(gòu)成以及安裝被檢試件的試驗(yàn)工裝組成，同時(shí)包括供電系統(tǒng)，數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)，以及輔助的管線等，如圖1 所示。

3 若干裝置校準(zhǔn)問(wèn)題的探討

3.1 氣密性檢驗(yàn)

3.1.1 存在問(wèn)題

依據(jù)JJF1240-2010，關(guān)于密封的評(píng)估只需要檢查裝置的靜態(tài)情況，而對(duì)于在工作過(guò)程中可能發(fā)生的泄漏現(xiàn)象未做要求，因此在實(shí)際工作中不容易發(fā)現(xiàn)由于密封性差而導(dǎo)致失真。

通常，要檢查在工作壓力下每個(gè)組件的連接處是否存在漏氣來(lái)評(píng)價(jià)氣密性。但是，上述密封檢查方法可以在靜態(tài)條件下檢查裝置的密封狀態(tài)。 由于多個(gè)噴嘴的組合，如果其他噴嘴零件的閥門(mén)沒(méi)有關(guān)閉到位或出現(xiàn)暫時(shí)性故障，并且發(fā)生少量泄漏，則不容易被發(fā)現(xiàn)，不可避免地會(huì)影響測(cè)試結(jié)果， 特別是在小流量點(diǎn)的測(cè)量中。

3.1.2 氣密性檢驗(yàn)方法改進(jìn)

針對(duì)以上問(wèn)題，提出了針對(duì)計(jì)量段泄露進(jìn)行全方位的系統(tǒng)氣密性檢查方法。

用于音速噴嘴對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)閥門(mén)泄露檢查。首先打開(kāi)系統(tǒng)所有閥門(mén)放空系統(tǒng)壓力到大氣壓，再打開(kāi)進(jìn)氣

總閥，調(diào)節(jié)閥組開(kāi)度給到100%，自力閥1 調(diào)整到全開(kāi)位置，靠近匯流容器的氣動(dòng)球閥關(guān)閉3，給此段管路充氣，當(dāng)滯止容器壓力達(dá)到500kpa 時(shí)關(guān)閉靠近滯止容器的氣動(dòng)球閥2，當(dāng)滯止容器壓力達(dá)到750kpa 時(shí)進(jìn)氣總閥自動(dòng)關(guān)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(bào)警，說(shuō)明靠近滯止容器的氣動(dòng)球閥有內(nèi)泄露，如果負(fù)泄露，說(shuō)明靠近匯流容器的氣動(dòng)球閥有內(nèi)泄露。找出對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)球閥后拆下檢查處理。

3.2 臨界背壓比測(cè)試

3.2.1 存在問(wèn)題

JJF1240-2010 未給出明確的正壓法臨界背壓比測(cè)試方法。

3.2.2 臨界被壓比測(cè)試

當(dāng)噴嘴入口處的停滯壓力和停滯溫度恒定時(shí)，通過(guò)噴嘴的質(zhì)量流量也恒定，這是校準(zhǔn)氣體流量計(jì)的基礎(chǔ)。

以本單位標(biāo)準(zhǔn)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(guò)提高P3 壓力使噴嘴達(dá)到臨界狀態(tài)，進(jìn)而獲得臨界背壓比。

此項(xiàng)測(cè)試適用于噴嘴首次安裝在使用裝置上進(jìn)行臨界背壓比的實(shí)際測(cè)量。具體測(cè)試方法如下：系統(tǒng)安裝完成后，測(cè)試段選用一條DN65 的管道用金屬軟管連通，測(cè)試管線閥門(mén)全部打開(kāi)，自力式調(diào)節(jié)閥2 打開(kāi)，調(diào)節(jié)背壓調(diào)節(jié)閥。系統(tǒng)充氣走正常測(cè)試流程，打開(kāi)一個(gè)噴嘴（如：50kg/h），待流量穩(wěn)定后再慢慢關(guān)閉末端背壓閥，記錄此時(shí)噴嘴流量值及P3 及P0 的值。此時(shí)保持P0 穩(wěn)定，P3 數(shù)值緩慢增加。待P3 接近P0，P0 出現(xiàn)顯著上升。記錄此時(shí)P3 值。再用這個(gè)P3 壓力除以原流量穩(wěn)定時(shí)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(shí)測(cè)各臨界背壓比結(jié)果如下表：

表2 臨界背壓比測(cè)試數(shù)據(jù)

3.3 初始流量調(diào)節(jié)時(shí)間校準(zhǔn)

3.3.1 存在問(wèn)題

在現(xiàn)有裝置中，噴嘴前面有很大的“管道容積”，在原有校準(zhǔn)方法中，未規(guī)定預(yù)通氣時(shí)間。因此，存在當(dāng)設(shè)備監(jiān)測(cè)到噴嘴已達(dá)到臨界流量狀態(tài)時(shí)，被測(cè)流量計(jì)尚未達(dá)到驗(yàn)證狀態(tài)或者沒(méi)有運(yùn)行的可能。在原校準(zhǔn)方法中未規(guī)定預(yù)通風(fēng)時(shí)間。 因此，被測(cè)試件有可能仍未達(dá)到驗(yàn)證狀態(tài)。

但JJF1240-2010 中并未給出初始流量調(diào)節(jié)時(shí)間校準(zhǔn)的方法及具體要求。

3.3.2 初始流量調(diào)節(jié)時(shí)間校準(zhǔn)方法的確定

通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)觀察，發(fā)現(xiàn)在設(shè)定較小的流量點(diǎn)時(shí)，預(yù)通風(fēng)時(shí)間的長(zhǎng)短將直接影響被測(cè)流量計(jì)是否已穩(wěn)定到預(yù)定的流量點(diǎn)，這很容易影響到校準(zhǔn)結(jié)果。

原因是從儀表到噴嘴入口的“管道容量”很大。當(dāng)設(shè)定較小的流量時(shí)，如果設(shè)定的預(yù)通風(fēng)時(shí)間短，則噴嘴可能已達(dá)到臨界流量狀態(tài)，并且被測(cè)流量計(jì)的流量對(duì)于被測(cè)流量點(diǎn)仍然不穩(wěn)定。如果此時(shí)進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)，則會(huì)有較大的偏差。

用空管連通整個(gè)管路系統(tǒng)，關(guān)閉氣動(dòng)閥門(mén)15-24。自力閥調(diào)整到全開(kāi)位置，打開(kāi)進(jìn)氣總閥，關(guān)閉滯止容器排空閥，對(duì)裝置進(jìn)行通氣。使滯止容器內(nèi)的壓力穩(wěn)定在550kPa±1kPa 時(shí)記錄通氣時(shí)間，以實(shí)際應(yīng)用要求確定時(shí)間要求。

4 裝置系統(tǒng)測(cè)量不確定度的評(píng)定

依據(jù)文丘里噴嘴流量原理模型，噴嘴的檢定與使用條件、介質(zhì)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?yàn)槭褂昧藘艋透稍锏难b置，可得到干燥空氣，故不考慮臨界流量函數(shù)C＊及氣體的摩爾質(zhì)量M 的變化。因此，試驗(yàn)臺(tái)不確定度分析主要考慮：流出系數(shù)C、噴嘴前滯止壓力P0、噴嘴前滯止溫度T0、被試流量計(jì)前壓力被試流量計(jì)前溫度及測(cè)控系統(tǒng)采集卡。

故標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定包含以下內(nèi)容：

1)噴嘴流出系數(shù)引入的的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(c)：依據(jù)檢定證書(shū)，流出系數(shù)的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.2%，k=2，則u(c)=0.1%。

2)噴嘴滯止壓力測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(p0)：應(yīng)用壓力變送器測(cè)量滯止壓力，根據(jù)證書(shū)，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(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(T0)：應(yīng)用溫度變送器測(cè)量噴嘴前的滯止溫度，允許誤差為±0.1 ℃，則室溫下得相對(duì)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(jì)處溫度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(T)：采用溫度變送器檢測(cè)被校流量計(jì)處的溫度，允許誤差為±0.1 ℃，取室溫下得相對(duì)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(jì)處壓力測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(p)：被校流量計(jì)處壓力測(cè)量采用溫度變送器，根據(jù)證書(shū)給定數(shù)據(jù)，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(cè)量系統(tǒng)采集精度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u 測(cè)：測(cè)控系統(tǒng)采集卡檢定結(jié)果可得采集裝置相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.06%，k=2，則u 測(cè)=0.03%。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算如下，其中合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：合成擴(kuò)展不確定度：

5 結(jié)論

結(jié)合建立的正壓法文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，通過(guò)對(duì)JJF1240-2010 要求的梳理分析，提出了針對(duì)正壓法流量校準(zhǔn)裝置臨界背壓比的校準(zhǔn)方法，同時(shí)給出了對(duì)于氣密性及流量調(diào)節(jié)時(shí)間的具體可參照校準(zhǔn)方式?？蔀檎龎悍ㄎ那鹄飮娮鞖怏w流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)和設(shè)計(jì)提供有效參考。