音速喷嘴法气体流量计自动检定系统的设计与实现

葛颖奇 毛谦敏 郑慧峰 黄智慧

(中国计量学院计量测试工程学院1，浙江 杭州 310018;浙江苍南仪表厂2，浙江 温州 325800)

0 引言

面对国内外能源危机的挑战，气体流量计量受到人们越来越多的重视，气体流量仪表的使用也愈加广泛，故发展气体流量仪表已成为我国流量计量仪表发展的重点。为保证气体流量仪表的质量和使用时的准确度，计量法将气体流量计、蒸汽流量计均列入强制检定范围。因此，气体流量计在出厂或使用前，必须在标准装置上对其标称的计量性能进行测试或检定［1－2］。

采用音速喷嘴法的气体流量标准装置，以其结构简单、性能稳定、准确度高和维护方便等特点，在气体流量计检定和校准中得到广泛的应用［3］。自20世纪70年代以来，国内外许多单位开展了对音速喷嘴的研究，并在一些部门取得成功应用;同时，基于音速喷嘴的气体流量计检定装置不断应用于实践生产中，使得音速喷嘴渐渐成为人们关注的重点［4－5］。目前，音速喷嘴法气体流量标准装置已成为开展气体流量计量的主流标准装置，全国范围内已拥有大量采用音速喷嘴法的标准装置［6－7］。

基于音速喷嘴的标准装置有正压法和负压法之分。负压法直接用大气作为气源，虽然检定流量范围受到限制，但具有气体流量稳定、投资少、能耗低的优点，因而得到普遍的应用［8］。因此，我们确定采用负压法设计基于音速喷嘴的气体流量计自动检定系统。

1 系统工作原理

1.1 音速喷嘴的工作原理

音速喷嘴结构如图1所示。

图1 音速喷嘴结构Fig.1 Structure of sonic nozzle

图1中，孔径最小的部分称为喷嘴的喉部，在喉部的后面有孔径逐渐扩大的流道。其中，P1为音速喷嘴的下游出口背压，P0为音速喷嘴的上游入口滞止压力，两者的比值P1/P0为节流压力比β。

空气动力学理论表明［9］，保持喷嘴上游的滞止压力不变，不断降低喷嘴的出口背压，开始时喷嘴流量不断增加，但当喷嘴出口背压降到某一值时，喷嘴喉部流速达到音速，通过喷嘴的流量将达到最大，进一步降低出口背压将不能使喷嘴的流量增加，此时的状态称为临界流状态。通过喷嘴的流量刚刚达到最大时，喷嘴出口背压称为临界背压，它与滞止压力之比称为临界背压比。只有在节流压力比β低于临界背压比时，通过喷嘴的流量才能保持稳定。

1.2 标准装置的工作原理

标准装置由音速喷嘴容器装置系统、真空负压站、数据采集及工控机控制系统组成。装置采用国际标准ISO 9300中的音速喷嘴作为标准表，工作方式为吸气式、负压标定，直接以大气作为气源。检定装置结构如图2所示。

图2 检定装置结构图Fig.2 Structure of the calibration system

各检定管道上装有温度、压力变送器，用于采集流量计处的温度和压力信号。滞止容器里装有采集喷嘴滞止温度、压力信号的温度变速器和压力变送器。汇合容器内装有采集喷嘴背压的压力变送器。真空负压站使喷嘴工作在临界流状态下。根据连续性原理，通过被检流量计的气体质量流量一定等于通过喷嘴的气体质量流量。工控机控制数据采集系统进行数据采集，由喷嘴滞止温度、压力得到质量流量，再由环境温度、大气压力、流量计处温度压力算出气体在流量计处密度，从而得到气体在流量计处的实际体积流量，即标准体积流量，然后和流量计测得的流量进行对比，根据检定规则得出检定结果。

1.3 流量计算

由理想气体的一维、等熵流动理论可得，流过音速喷嘴的气体质量流量qm为:

式中:d为喷嘴的喉部直径;Cd为喷嘴的流出系数;C*为临界流函数;P0、T0为喷嘴入口处的滞止压力和滞止温度;R为通用气体常数;M为气体的摩尔质量。气体在流量计处密度ρm为:

式中:ρn为环境条件下大气密度;Pm、Tm为被检流量计处压力和温度;Pn、Tn为环境条件下大气压和环境温度。由于通过被检流量计的气体质量流量等于通过喷嘴的气体质量流量，所以气体在流量计处的体积流量qv(单位:m3/s)为:

1.4 湿度修正

对于负压法装置，检定中使用的是未干燥的湿空气，而计算流量时使用的参数却是干空气的参数。因此，需要对计算流量进行修正［10－12］。经湿度修正的气体质量流量q'm为:

式中:φ为空气的相对湿度;P为当地大气压;PH为空气中水蒸气的饱和蒸汽压。

经湿度修正的气体在流量计处的密度ρ'm为:

经湿度修正的气体在流量计处的体积流量q'v为:

2 系统设计

系统以工控机为核心，采集温度、压力、湿度等信号，控制喷嘴及真空泵等硬件设备。工控机通过数据处理，实现对9个不同通径的流量计的自动标定，得出检定结果，检定数据入库以备查询。

2.1 硬件部分设计

硬件部分主要实现数据采集和控制功能，可采集检定所需的喷嘴滞止温度压力、喷嘴背压、流量计处温度压力、大气温度压力和湿度等信号，并控制相关设备的开关动作。

2.1.1 数据采集部分

数据采集部分包括采集滞止容器温度压力、汇合容器压力、大气压力温度和湿度、被检流量计处温度压力、被检流量计处压损、被检流量计频率信号、被检流量计的模拟输出量。数据采集过程中，共需采集3～30 V脉冲量1路，4～20 mA模拟量15路(含7路压力、6路温度、1路湿度、1路流量计模拟输出量)。系统采用PCIe-6320多功能数据采集卡进行信号采集。该卡具有分辨率为16位的16路模拟输入，可对压力温度等模拟量进行采集;并有4路32位计数器/定时器，可对流量计频率信号进行采集。

2.1.2 控制部分

控制部分包括控制检定管道切换、喷嘴阀门开关和水环式真空泵开关。系统需根据不同的流量点对4台水环式真空泵和16个喷嘴的开关进行控制并检测其开关状态，检定管道切换时需控制相应的采集信号切换。系统采用PCI-1762输入输出卡和ADAM 4055隔离数字量输入输出模块进行控制。PCI-1762是一款PCI总线的继电器输出及隔离数字量输入卡，它提供了16路光隔离数字量输入，并带有16个单刀双掷继电器，可用作开关控制和状态检测。水环式真空泵和其他一些辅助设备的开关控制和状态检测采用PCI-1762。ADAM 4055提供8路隔离数字量输入和8路隔离数字量输出。系统采用5个ADAM 4055模块控制检定管道切换和16个音速喷嘴的开关及其状态检测。ADAM 4055采用RS-485通信方式。系统采用ADAM 4520模块进行RS-232/RS-485转换，由工控机串口进行通信并发送上位机控制指令。

2.2 上位机软件设计

上位机选用研华工控机，以控制数据采集并处理采集数据，并在上位机软件中对检定参数进行设定及对检定数据进行管理。上位机软件在VC++环境下设计开发，检定完成后数据采用SQL Server数据库进行管理。

上位机系统框图如图3所示。

图3 上位机系统框图Fig.3 Block diagram of the host computer system

开始检定前，系统参数设置模块进行传感器参数的设置和恢复，检定信息录入模块用于操作者输入检定所需参数。开始检定后，根据设定的流量大小自动打开所需的喷嘴阀门，驱动数据采集部分采集处理温度、压力等信号，计算出流过被检流量计的质量流量和工作状态及标准状态下的体积流量，并与被检流量计测得的流量值比较，得出被检流量计的流量系数、线性误差、重复性误差和准确度。检定完成后，检定结果存入SQL Server数据库。系统提供数据查询和报表打印功能。设计用户登录界面时，系统根据登录用户的属性分配相应的人员管理操作权限。

3 系统实现

3.1 检定流程

检定过程中，首先打开水泵，待有信号反馈时再打开真空泵，设定检定方式和参数后开始检定。检定流程如图4所示。

图4 检定流程图Fig.4 Flowchart of calibration

检定开始后，系统自动检测一次室温和环境相对湿度，且每隔0.5 s检测一次流量计处压力和温度、喷嘴滞止压力和温度以及喷嘴出口背压，并每隔3 s对相应参数进行刷新显示，便于操作人员掌握更多的检定信息，以便及时对异常状态进行排查。在检定数据返回以后，由上位机对检定数据进行处理，并计算出被检流量计的仪表系数和重复性。

按被检流量计的形式和检定的方法，系统依照规定的表格形式自动生成流量计检定记录单，并存储于数据库中，便于数据查询、调用和打印输出。按事先约定的流量计最大允许误差，系统自动判定被检流量计是否合格，并结合相应的操作，根据系统判定的结果，按规定格式打印输出被检流量计检定证书。

3.2 检定结果

结合A类仪表检定，取2个精度为2.5级的流量计来进行检定试验，流量计1的流量范围为320～6500 m3/h，流量计2的流量范围为32～650 m3/h。

① 流量计1分别在流量值为6500、2600、1300和320(单位:m3/h)的4个流量点上进行标定，每个点的检定次数为3次，检定结果如表1所示。

② 流量计2分别在流量值为650、260、130和32(单位:m3/h)的四个流量点上进行标定，每个点的检定次数为2次，检定结果如表2所示。

两个被检流量计的检定结果对比如表3所示。由表3可知，流量计1的直线度误差大于2.5%，因此，流量计1判定不合格，流量计2判定合格。多次试验证实系统工作稳定、操作简单，提高了检定效率和精度。

表1 流量计1的检定结果Tab.1 Calibration results of flowmeter#1

表2 流量计2的检定结果Tab.2 Calibration results of flowmeter#2

表3 检定结果对比Tab.3 Comparison of the calibration results

4 结束语

基于音速喷嘴的负压法气体流量计检定系统，可实现自动数据采集与检定过程的自动控制;上位机对采集数据进行处理，得出检定结果，并把检定信息入库保存;软件界面友好、直观，便于使用。实际应用中的检定结果表明，本装置在保证检定精度的前提下，减少了人为操作，大大提高了检定效率。

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