民用飞机环境控制试验室流量校准装置设计
2014-08-12李德庆戴铮
李德庆 戴铮
【摘 要】流量校准装置是环境控制试验室必不可少的组成部分。本文结合民用飞机环境控制试验室实际情况，分析了环控系统试验所需流量校准装置的技术要求，建立了一套适用于环境控制试验室的音速喷嘴法气体流量校准装置。
【关键词】民用飞机；环控系统；流量校准
0 引言
流量校准装置是环境控制试验室必不可少的工艺设备，其主要作用是对流量计的测量误差进行判定，以保证流量计的精确性和可靠性。流量计的测量精度、可靠性直接关系到试验结果的精度和准确度，因此需要通过流量校准装置来标定流量计的精度。
在开展环控系统试验室试验时，需要使用到大量的流量计来测量气体流量。试验中的气体流量计需要经常拆卸，但是很多流量计重新安装后，由于安装角度的变化，其测量精度可能将会发生变化，为了判定安装在管路上的流量计的测量正确性，需要通过流量校准装置对流量计的测量误差进行判定，以保证流量计的正确性。
此外，飞机上的流量测量装置由于受限于直管段不足的限制，往往不能按照理论公式进行流量计算，需要通过流量校准装置对飞机上的流量测量部件和前后管路一起进行流量标定，计算出系统的流量计算公式，作为飞机设计的依据。
环控系统试验室试验中使用到的流量计种类多、流量大，在试验中，拆卸一次流量计就进行一次计量标定是不现实的。所以需要在试验室中建设流量校准装置，以方便试验工作的快速开展。
1 技术要求
1.1 可检测流量范围
根据环境控制试验室单根供气管路的最大流量（10000kg/h）以及后续型号发展的需要，确定流量校准装置的最大检测流量为12000kg/h。最小检测流量为50kg/h，主要用于低压供气管路的流量计校准。流量校准装置的可检测流量范围为：50kg/h-12000kg/h。
1.2 可检测管路口径
校准装置采用换管式实现不同管路的切换，根据试验室的检测流量范围，拟定流量校准装置配置的常用检测管路口径为：DN50、DN100、DN150、DN200四种，若试验室需要校准其他口径的流量计，可通过转接头实现被试件的连接。
1.3 被检测介质要求
根据环控试验需求，流量计测量的气体温度范围为-60℃～+550℃。若要满足此要求，流量校准装置需设置加热装置和制冷装置、所有部件需采用耐高温及耐低温材料等，将导致价格严重超出预算。所以拟采用常温校准方式，即被检测介质温度为-10℃～+50℃的干空气；介质压力低于0.8MPa以下，对于不在该范围内工作的流量计，校准装置需能自动进行温压补偿，以降低因为温度压力不同导致的误差。
1.4 装置不确定度
根据流量计的量值传递，要满足试验室流量计的精度需求，流量校准装置的不确定度需优于0.5%。
1.5 现有资源
环控试验室已有总流量达20000kg/h的低压干燥压缩空气，气源储气罐出口压力范围为0.8MPa～0.9MPa（表压）。
2 技术方案
通过调研国内相关厂家，流量校准装置大多采用音速文丘利喷嘴作为计量传递的关键设备。这主要是因为音速喷嘴重复性好、工作特性稳定、结构简单、准确度高、无可动部件、维护方便、检定周期长（五年）等优点。所以环境控制试验室也将采用音速喷嘴法设计该校准装置。
2.1 装置组成及原理
音速喷嘴法气体流量校准装置分为正压和负压两种方式。负压法是在音速喷嘴下游通过真空泵产生喷嘴上下游压差，使得喷嘴喉部达到临界流条件来获得流经喷嘴的流量恒定，被测件位于喷嘴的上游。正压法是在音速喷嘴上游通过压缩空气产生喷嘴上下游压差，使得喷嘴喉部达到临界流条件来获得流经喷嘴的流量恒定，被测件一般位于喷嘴的下游。具体采用哪种方式，取决于建设单位已有的配套设施，如果已有满足校准装置使用的气源系统，则采用正压法可以降低投资。由于环控试验室已有大容量气源系统，故该建设项目选用正压音速喷嘴法构建气体流量校准装置。
正压法音速喷嘴法气体流量校准装置的组成部件包括控制系统、气源系统、调节阀组、被检流量计及其夹具、被检流量计温度计和压力计、滞止容器、湿度传感器、温度传感器、压力传感器、音速喷嘴、出口容器、消音器以及阀门等，结构示意图如图1所示。
图1 流量校准装置结构示意
装置工作时，经稳压系统稳压后的空气通过检定管段和被检流量计，进入滞止容器，流经临界流文丘里喷嘴组、出口容器、最后排放到大气中。根据检定压力及流量的大小，稳压系统输出一定压力的气体，系统自动控制选择阀门进行不同的喷嘴组合，确定所需的检定流量。这一压力能保证流经喷嘴的气体达到临界状态。装置所复现的气体流量标准值为：
式中：
qm——装置所复现的气体质量流量标准值；
qmi——通过第i个临界流喷嘴的气体质量流量；
i——所选择喷嘴的个数。
在稳定的工况下，流经临界流喷嘴和被检流量计的气体质量流量是相同的。检定过程中，微机系统自动采集和处理临界流喷嘴前的气体滞止压力和滞止温度，计算出标准的气体质量流量或累积流量，并按相关的检定规程，将它与采集到的被检流量计的指示值进行比较和计算，即可得到被检流量计在不同流量点的基本误差和重复性误差，从而实现对气体流量计的检定。
2.2 装置检定管线
直管段采用转盘式换管器装夹被检流量计，可换管口径为DN50、DN100、DN150、DN200，前直管段≥20D，后直管段≥10D。夹表器安装于检定管线入口端，检定管段出口端引到室外，出口端向上方排放气体，出口处安装管道复合式消音器以降低噪声污染。
由于小流量用的喷嘴喉径只有几毫米，为防止压缩空气中的油、水成份和尘屑而造成的淤塞，在装置的上游进气端须配置过滤器，滤除来自储气罐的颗粒物，过滤精度满足流量校准装置的使用，以保证输出洁净的空气气源。
2.3 校准装置测控系统
为了方便流量校准装置使用，测控系统采用上、下位机形式。下位机实现现场信号测量及部件控制。上位机采用工业控制计算机，主要完成数据处理、文件管理、数据记录打印。上位机与下位机之间通过总线通讯传输数据。微机检定软件能将检定的各个数据清晰有序的显示在操作界面上。如喷嘴背压比实时监视喷嘴是否处于临界流状态，确保检定数据真实、可靠；被检流量计信号的显示可以实时显示流量计的工作情况。通过它可以判断流量计的接线是否正确、流量是否稳定、工作是否正常。提高检定的效率，减少不必要的能耗成本。所有阀门的控制，即可以通过现场的控制装置实现，也可以通过远程的工控机远程实现。
校准装置的所有控制阀门包括开关阀和调节阀均采用电动调节阀。
3 结语
由于音速喷嘴具有重复性好、工作特性稳定、结构简单、准确度高、无可动部件、维护方便、检定周期长等诸多优点，使得音速喷嘴法气体流量校准装置得到越来越广的应用。本文结合民用飞机环境控制试验室实际情况，建立了一套适用于环境控制试验室的音速喷嘴法气体流量校准装置。
【参考文献】
[1]王池，王自和，张宝珠，孙淮清.流量测量技术全书[M].北京：化学工业出版社，2012，6.
[2]于华伟，张永胜，刘彦军，白银.正压法音速喷嘴气体流量标准装置的建立[J].计测技术，2008，28（增刊）：113-115.
[责任编辑：汤静]
【摘 要】流量校准装置是环境控制试验室必不可少的组成部分。本文结合民用飞机环境控制试验室实际情况，分析了环控系统试验所需流量校准装置的技术要求，建立了一套适用于环境控制试验室的音速喷嘴法气体流量校准装置。
【关键词】民用飞机；环控系统；流量校准
0 引言
流量校准装置是环境控制试验室必不可少的工艺设备，其主要作用是对流量计的测量误差进行判定，以保证流量计的精确性和可靠性。流量计的测量精度、可靠性直接关系到试验结果的精度和准确度，因此需要通过流量校准装置来标定流量计的精度。
在开展环控系统试验室试验时，需要使用到大量的流量计来测量气体流量。试验中的气体流量计需要经常拆卸，但是很多流量计重新安装后，由于安装角度的变化，其测量精度可能将会发生变化，为了判定安装在管路上的流量计的测量正确性，需要通过流量校准装置对流量计的测量误差进行判定，以保证流量计的正确性。
此外，飞机上的流量测量装置由于受限于直管段不足的限制，往往不能按照理论公式进行流量计算，需要通过流量校准装置对飞机上的流量测量部件和前后管路一起进行流量标定，计算出系统的流量计算公式，作为飞机设计的依据。
环控系统试验室试验中使用到的流量计种类多、流量大，在试验中，拆卸一次流量计就进行一次计量标定是不现实的。所以需要在试验室中建设流量校准装置，以方便试验工作的快速开展。
1 技术要求
1.1 可检测流量范围
根据环境控制试验室单根供气管路的最大流量（10000kg/h）以及后续型号发展的需要，确定流量校准装置的最大检测流量为12000kg/h。最小检测流量为50kg/h，主要用于低压供气管路的流量计校准。流量校准装置的可检测流量范围为：50kg/h-12000kg/h。
1.2 可检测管路口径
校准装置采用换管式实现不同管路的切换，根据试验室的检测流量范围，拟定流量校准装置配置的常用检测管路口径为：DN50、DN100、DN150、DN200四种，若试验室需要校准其他口径的流量计，可通过转接头实现被试件的连接。
1.3 被检测介质要求
根据环控试验需求，流量计测量的气体温度范围为-60℃～+550℃。若要满足此要求，流量校准装置需设置加热装置和制冷装置、所有部件需采用耐高温及耐低温材料等，将导致价格严重超出预算。所以拟采用常温校准方式，即被检测介质温度为-10℃～+50℃的干空气；介质压力低于0.8MPa以下，对于不在该范围内工作的流量计，校准装置需能自动进行温压补偿，以降低因为温度压力不同导致的误差。
1.4 装置不确定度
根据流量计的量值传递，要满足试验室流量计的精度需求，流量校准装置的不确定度需优于0.5%。
1.5 现有资源
环控试验室已有总流量达20000kg/h的低压干燥压缩空气，气源储气罐出口压力范围为0.8MPa～0.9MPa（表压）。
2 技术方案
通过调研国内相关厂家，流量校准装置大多采用音速文丘利喷嘴作为计量传递的关键设备。这主要是因为音速喷嘴重复性好、工作特性稳定、结构简单、准确度高、无可动部件、维护方便、检定周期长（五年）等优点。所以环境控制试验室也将采用音速喷嘴法设计该校准装置。
2.1 装置组成及原理
音速喷嘴法气体流量校准装置分为正压和负压两种方式。负压法是在音速喷嘴下游通过真空泵产生喷嘴上下游压差，使得喷嘴喉部达到临界流条件来获得流经喷嘴的流量恒定，被测件位于喷嘴的上游。正压法是在音速喷嘴上游通过压缩空气产生喷嘴上下游压差，使得喷嘴喉部达到临界流条件来获得流经喷嘴的流量恒定，被测件一般位于喷嘴的下游。具体采用哪种方式，取决于建设单位已有的配套设施，如果已有满足校准装置使用的气源系统，则采用正压法可以降低投资。由于环控试验室已有大容量气源系统，故该建设项目选用正压音速喷嘴法构建气体流量校准装置。
正压法音速喷嘴法气体流量校准装置的组成部件包括控制系统、气源系统、调节阀组、被检流量计及其夹具、被检流量计温度计和压力计、滞止容器、湿度传感器、温度传感器、压力传感器、音速喷嘴、出口容器、消音器以及阀门等，结构示意图如图1所示。
图1 流量校准装置结构示意
装置工作时，经稳压系统稳压后的空气通过检定管段和被检流量计，进入滞止容器，流经临界流文丘里喷嘴组、出口容器、最后排放到大气中。根据检定压力及流量的大小，稳压系统输出一定压力的气体，系统自动控制选择阀门进行不同的喷嘴组合，确定所需的检定流量。这一压力能保证流经喷嘴的气体达到临界状态。装置所复现的气体流量标准值为：
式中：
qm——装置所复现的气体质量流量标准值；
qmi——通过第i个临界流喷嘴的气体质量流量；
i——所选择喷嘴的个数。
在稳定的工况下，流经临界流喷嘴和被检流量计的气体质量流量是相同的。检定过程中，微机系统自动采集和处理临界流喷嘴前的气体滞止压力和滞止温度，计算出标准的气体质量流量或累积流量，并按相关的检定规程，将它与采集到的被检流量计的指示值进行比较和计算，即可得到被检流量计在不同流量点的基本误差和重复性误差，从而实现对气体流量计的检定。
2.2 装置检定管线
直管段采用转盘式换管器装夹被检流量计，可换管口径为DN50、DN100、DN150、DN200，前直管段≥20D，后直管段≥10D。夹表器安装于检定管线入口端，检定管段出口端引到室外，出口端向上方排放气体，出口处安装管道复合式消音器以降低噪声污染。
由于小流量用的喷嘴喉径只有几毫米，为防止压缩空气中的油、水成份和尘屑而造成的淤塞，在装置的上游进气端须配置过滤器，滤除来自储气罐的颗粒物，过滤精度满足流量校准装置的使用，以保证输出洁净的空气气源。
2.3 校准装置测控系统
为了方便流量校准装置使用，测控系统采用上、下位机形式。下位机实现现场信号测量及部件控制。上位机采用工业控制计算机，主要完成数据处理、文件管理、数据记录打印。上位机与下位机之间通过总线通讯传输数据。微机检定软件能将检定的各个数据清晰有序的显示在操作界面上。如喷嘴背压比实时监视喷嘴是否处于临界流状态，确保检定数据真实、可靠；被检流量计信号的显示可以实时显示流量计的工作情况。通过它可以判断流量计的接线是否正确、流量是否稳定、工作是否正常。提高检定的效率，减少不必要的能耗成本。所有阀门的控制，即可以通过现场的控制装置实现，也可以通过远程的工控机远程实现。
校准装置的所有控制阀门包括开关阀和调节阀均采用电动调节阀。
3 结语
由于音速喷嘴具有重复性好、工作特性稳定、结构简单、准确度高、无可动部件、维护方便、检定周期长等诸多优点，使得音速喷嘴法气体流量校准装置得到越来越广的应用。本文结合民用飞机环境控制试验室实际情况，建立了一套适用于环境控制试验室的音速喷嘴法气体流量校准装置。
【参考文献】
[1]王池，王自和，张宝珠，孙淮清.流量测量技术全书[M].北京：化学工业出版社，2012，6.
[2]于华伟，张永胜，刘彦军，白银.正压法音速喷嘴气体流量标准装置的建立[J].计测技术，2008，28（增刊）：113-115.
[责任编辑：汤静]
【摘 要】流量校准装置是环境控制试验室必不可少的组成部分。本文结合民用飞机环境控制试验室实际情况，分析了环控系统试验所需流量校准装置的技术要求，建立了一套适用于环境控制试验室的音速喷嘴法气体流量校准装置。
【关键词】民用飞机；环控系统；流量校准
0 引言
流量校准装置是环境控制试验室必不可少的工艺设备，其主要作用是对流量计的测量误差进行判定，以保证流量计的精确性和可靠性。流量计的测量精度、可靠性直接关系到试验结果的精度和准确度，因此需要通过流量校准装置来标定流量计的精度。
在开展环控系统试验室试验时，需要使用到大量的流量计来测量气体流量。试验中的气体流量计需要经常拆卸，但是很多流量计重新安装后，由于安装角度的变化，其测量精度可能将会发生变化，为了判定安装在管路上的流量计的测量正确性，需要通过流量校准装置对流量计的测量误差进行判定，以保证流量计的正确性。
此外，飞机上的流量测量装置由于受限于直管段不足的限制，往往不能按照理论公式进行流量计算，需要通过流量校准装置对飞机上的流量测量部件和前后管路一起进行流量标定，计算出系统的流量计算公式，作为飞机设计的依据。
环控系统试验室试验中使用到的流量计种类多、流量大，在试验中，拆卸一次流量计就进行一次计量标定是不现实的。所以需要在试验室中建设流量校准装置，以方便试验工作的快速开展。
1 技术要求
1.1 可检测流量范围
根据环境控制试验室单根供气管路的最大流量（10000kg/h）以及后续型号发展的需要，确定流量校准装置的最大检测流量为12000kg/h。最小检测流量为50kg/h，主要用于低压供气管路的流量计校准。流量校准装置的可检测流量范围为：50kg/h-12000kg/h。
1.2 可检测管路口径
校准装置采用换管式实现不同管路的切换，根据试验室的检测流量范围，拟定流量校准装置配置的常用检测管路口径为：DN50、DN100、DN150、DN200四种，若试验室需要校准其他口径的流量计，可通过转接头实现被试件的连接。
1.3 被检测介质要求
根据环控试验需求，流量计测量的气体温度范围为-60℃～+550℃。若要满足此要求，流量校准装置需设置加热装置和制冷装置、所有部件需采用耐高温及耐低温材料等，将导致价格严重超出预算。所以拟采用常温校准方式，即被检测介质温度为-10℃～+50℃的干空气；介质压力低于0.8MPa以下，对于不在该范围内工作的流量计，校准装置需能自动进行温压补偿，以降低因为温度压力不同导致的误差。
1.4 装置不确定度
根据流量计的量值传递，要满足试验室流量计的精度需求，流量校准装置的不确定度需优于0.5%。
1.5 现有资源
环控试验室已有总流量达20000kg/h的低压干燥压缩空气，气源储气罐出口压力范围为0.8MPa～0.9MPa（表压）。
2 技术方案
通过调研国内相关厂家，流量校准装置大多采用音速文丘利喷嘴作为计量传递的关键设备。这主要是因为音速喷嘴重复性好、工作特性稳定、结构简单、准确度高、无可动部件、维护方便、检定周期长（五年）等优点。所以环境控制试验室也将采用音速喷嘴法设计该校准装置。
2.1 装置组成及原理
音速喷嘴法气体流量校准装置分为正压和负压两种方式。负压法是在音速喷嘴下游通过真空泵产生喷嘴上下游压差，使得喷嘴喉部达到临界流条件来获得流经喷嘴的流量恒定，被测件位于喷嘴的上游。正压法是在音速喷嘴上游通过压缩空气产生喷嘴上下游压差，使得喷嘴喉部达到临界流条件来获得流经喷嘴的流量恒定，被测件一般位于喷嘴的下游。具体采用哪种方式，取决于建设单位已有的配套设施，如果已有满足校准装置使用的气源系统，则采用正压法可以降低投资。由于环控试验室已有大容量气源系统，故该建设项目选用正压音速喷嘴法构建气体流量校准装置。
正压法音速喷嘴法气体流量校准装置的组成部件包括控制系统、气源系统、调节阀组、被检流量计及其夹具、被检流量计温度计和压力计、滞止容器、湿度传感器、温度传感器、压力传感器、音速喷嘴、出口容器、消音器以及阀门等，结构示意图如图1所示。
图1 流量校准装置结构示意
装置工作时，经稳压系统稳压后的空气通过检定管段和被检流量计，进入滞止容器，流经临界流文丘里喷嘴组、出口容器、最后排放到大气中。根据检定压力及流量的大小，稳压系统输出一定压力的气体，系统自动控制选择阀门进行不同的喷嘴组合，确定所需的检定流量。这一压力能保证流经喷嘴的气体达到临界状态。装置所复现的气体流量标准值为：
式中：
qm——装置所复现的气体质量流量标准值；
qmi——通过第i个临界流喷嘴的气体质量流量；
i——所选择喷嘴的个数。
在稳定的工况下，流经临界流喷嘴和被检流量计的气体质量流量是相同的。检定过程中，微机系统自动采集和处理临界流喷嘴前的气体滞止压力和滞止温度，计算出标准的气体质量流量或累积流量，并按相关的检定规程，将它与采集到的被检流量计的指示值进行比较和计算，即可得到被检流量计在不同流量点的基本误差和重复性误差，从而实现对气体流量计的检定。
2.2 装置检定管线
直管段采用转盘式换管器装夹被检流量计，可换管口径为DN50、DN100、DN150、DN200，前直管段≥20D，后直管段≥10D。夹表器安装于检定管线入口端，检定管段出口端引到室外，出口端向上方排放气体，出口处安装管道复合式消音器以降低噪声污染。
由于小流量用的喷嘴喉径只有几毫米，为防止压缩空气中的油、水成份和尘屑而造成的淤塞，在装置的上游进气端须配置过滤器，滤除来自储气罐的颗粒物，过滤精度满足流量校准装置的使用，以保证输出洁净的空气气源。
2.3 校准装置测控系统
为了方便流量校准装置使用，测控系统采用上、下位机形式。下位机实现现场信号测量及部件控制。上位机采用工业控制计算机，主要完成数据处理、文件管理、数据记录打印。上位机与下位机之间通过总线通讯传输数据。微机检定软件能将检定的各个数据清晰有序的显示在操作界面上。如喷嘴背压比实时监视喷嘴是否处于临界流状态，确保检定数据真实、可靠；被检流量计信号的显示可以实时显示流量计的工作情况。通过它可以判断流量计的接线是否正确、流量是否稳定、工作是否正常。提高检定的效率，减少不必要的能耗成本。所有阀门的控制，即可以通过现场的控制装置实现，也可以通过远程的工控机远程实现。
校准装置的所有控制阀门包括开关阀和调节阀均采用电动调节阀。
3 结语
由于音速喷嘴具有重复性好、工作特性稳定、结构简单、准确度高、无可动部件、维护方便、检定周期长等诸多优点，使得音速喷嘴法气体流量校准装置得到越来越广的应用。本文结合民用飞机环境控制试验室实际情况，建立了一套适用于环境控制试验室的音速喷嘴法气体流量校准装置。
【参考文献】
[1]王池，王自和，张宝珠，孙淮清.流量测量技术全书[M].北京：化学工业出版社，2012，6.
[2]于华伟，张永胜，刘彦军，白银.正压法音速喷嘴气体流量标准装置的建立[J].计测技术，2008，28（增刊）：113-115.
[责任编辑：汤静]
