正压法pVTt气体流量标准装置的建立*

曹培娟 李春辉 崔骊水 张 翰,3

(1.河北大学，保定 100075；2.中国计量科学研究院，北京 100029；3.中国计量学院，杭州 310018)



正压法pVTt气体流量标准装置的建立*

曹培娟1,2李春辉2崔骊水2张 翰2,3

(1.河北大学，保定 100075；2.中国计量科学研究院，北京 100029；3.中国计量学院，杭州 310018)

中国计量科学研究院对已有的负压法pVTt气体流量标准装置进行正压改造，完成后的新装置可实现1MPa、86m3/h，2.5MPa、46m3/h下音速喷嘴流出系数的自动校准。基于标准容器内压力、温度测量不确定度的提升，pVTt装置的扩展不确定度为0.05%(k=2)，音速喷嘴流出系数的不确定度为0.15%(k=2)。采用两支音速喷嘴对装置性能进行验证，流出系数的重复性不超过0.03%，测量得到的流出系数与ISO 9300经验公式计算结果一致性良好。

pVTt法气体流量标准装置；测量不确定度；音速喷嘴；流出系数

0 引言

pVTt气体流量标准装置作为实验室气体流量计量原级标准已长达40多年[1]，用于校准音速喷嘴(简称喷嘴)的流出系数。按喷嘴前滞止压力的不同，pVTt气体标准装置可以分为负压法(又称常压法)和正压法两种。负压法的滞止压力为1个大气压；正压法采用空气压缩机作为动力源，具备不同滞止压力点的实验能力，可实现较宽的流量和雷诺数范围。

20世纪70年代，美国国家标准与技术研究所(NIST)建立了标准容器为26m3的高压pVTt气体流量标准装置,其扩展不确定度为0.09%(k=2)[2]；2000年新建了标准容器为34L和677L两个pVTt气体流量标准装置，可实现0.85MPa、4680m3/h测量能力[3]。

2002年日本国家计量院(NMIJ)在对原有的13.4m3的pVTt装置[4]升级改造为标准容器为11.1m3的高压pVTt装置，可实现1MPa、200m3/h的测量能力，其扩展不确定度为0.17%(k=2)[5]。

1986年，中国计量科学研究院建成国内第一套负压法pVTt气体流量装置，该装置作为气体流量的基准装置，承担了国内80%以上喷嘴流出系数的溯源工作。近年来，随着天然气用量的增加，社会对正压下流量计溯源的需求不断增加。2010年中国计量科学研究院开始进行pVTt法气体流量标准装置的技术升级改造，2014年底完成带有温度控制的标准容器100L和2m3的高压pVTt气体流量标准装置，该装置以Labview为软件开发平台，可在0.2～2.5MPa范围内，实现1MPa、86m3/h最大流量，2.5MPa、46m3/h最大流量的测量能力。本文重点分析标准容器为2m3的pVTt气体流量标准装置的组成及不确定度，并以符合ISO 9300标准的两支喷嘴对装置的重复性及复现性进行验证。

1 正压pVTt装置组成

正压pVTt气体流量标准装置主要由气源部分、标准容器部分、压力及温度测量系统、控制系统、管路部分等组成，如图1所示。

图1 系统原理图

1.1 气源部分

气源部分主要由两台空气压缩机、两台过滤器、储气系统及调压系统组成。储气系统由2个10m3一级储气罐和2个7.5m3二级储气罐组成，其最大耐压分别为11MPa和5MPa。调压系统由4个一级减压阀和6个二级减压阀组成，分别位于一、二级储气罐出口，实现试验所需的稳定压力。

1.2 标准容器

标准容器是pVTt气体流量标准装置的核心组成部分，直接影响音速喷嘴流出系数的校准，本装置标准容器标称值分别为100L、2m3。100L标准容器由2根直径200mm，长1.6m的管道连通制成；2m3标准容器由4根直径500mm，长2.5m的管道连通而成。两种标准容器外壁均设有50mm的恒温水夹层，循环的恒温水通过夹层实现标准容器内温度的稳定。

1.3 压力及温度测量部分

装置压力测量主要涉及喷嘴滞止压力、标准容器内压力和附加体积压力测量。系统设置4台双量程高精度绝压表，用以测量100L与2m3音速喷嘴滞止压力；6台高精度绝压表，2台位于2m3标准容器内，2台位于100L标准容器内，2台用于测量100L和2m3检定管路附加体积。

装置共设置18支Pt 100铂电阻温度计，采用Keithley 2700多通道数据采集系统对温度进行测量。10支位于2m3标准容器内；4支位于100L系统的标准容器内；4支分别位于音速喷嘴入口处。

1.4 控制系统

装置以Labview为软件开发平台，通过软件控制硬件，基本实现自动化操作。软件设计主要包括上位机软件设计、下位机PLC控制及采集软件的设计。上位机软件设计以Labview为软件开发平台，实现人机交互，现场传感器数据采集，显示和存储，控制检定流程等。下位机软件开发采用西门子可编程控制器s7-200，实现对现场气动阀和三通阀的开关控制。

1.5 检定管路部分

2m3和100L pVTt气体流量标准装置检定管路的口径分别为DN 80和DN 25，各设有一个被检台位，采用气动夹具，便于喷嘴的拆卸。检定管路与标准容器通过三通阀连接，三通阀另一端通过消声器与大气相通。

2 测量不确定度分析

pVTt气体流量标准装置测量通过喷嘴的实际质量流量为：

(1)

式中:qm为通过喷嘴的实际质量流量；V为20℃下标准容器的基本容积；t为进气时间；pi、pf分别为进气前、后标准容器内空气的绝对压力；Ti、Tf分别为进气前、后标准容器内空气的热力学温度；zi、zf分别为进气前、后标准容器内空气的气体压缩系数；Δm为附加质量；Δt为开关时间；a为标准容器材料的线膨胀系数；θ为标准容器壁面温度。

根据式(1)，原有2m3pVTt装置的扩展不确定度为0.07%(k=2)[7]。改造完成后的高压pVTt气体流量标准装置对压力、温度测量部分进行优化改造，不确定度为0.05%(k=2)。

1)压力测量的提升

选用高精度压力测量仪表，通过对压力表测得值的分段拟合修正，将压力测量不确定度由原来满量程的0.01%下降为读数的0.0089%。

2)温度测量的提升

对三种不同测量速度模式，不同延时时间下，对Keithley2700多通道数据采集系统的测试结果表明：采用SLOW模式、延时50ms情况下，其不确定度可由原来的50mK(k=2)降低到30mK(k=2)。此外，将原有各分项代数相加的保守处理方式调整为各分项平方和根。最终，将温度测量不确定度由原来的89mK(k=2)降低到50mK(k=2)。

3 pVTt装置测量能力验证

3.1 音速喷嘴

按照ISO9300要求，加工喉部直径为12.444mm和9.086mm的两支音速喷嘴，相关参数如表1所示，流出系数的测量不确定度为0.15%(k=2)。

表1 所用喷嘴参数

3.2 经验公式

2005年，在雷诺数2.1×104

(2)

其不确定度UISO为0.3%(k=2)

3.3 验证结果

滞止压力2.5MPa、1MPa下，就两支音速喷嘴的流出系数在新高压pVTt气体流量标准装置上进行6次测量，实验结果与ISO 9300经验公式(2)进行对比，采用En值[8, 9]分析结果间的一致性：

(3)其中，Cd,M为pVTt装置测量得到的流出系数，UM为测量结果的不确定度。测量及比对结果如表2所示。

表2 两支音速喷嘴测试结果

实验结果表明：装置可以实现1MPa、86m3/h；2.5MPa、46m3/h的测量能力，实验的重复性不超过0.03%；En≤1.00表明实验数据跟ISO 9300经验公式间有很好的一致性。

4 结论

中国计量科学研究院新建成一套带有温度控制标准容器为100L和2m3高压pVTt气体流量标准装置，标准装置测量不确定度为0.05%(k=2)。

2支符合ISO 9300的喷嘴对装置性能的验证性实验结果表明：装置可以实现1 MPa、86 m3/h；2.5 MPa、46 m3/h的测量能力，重复性不超过0.03%；流出系数与ISO 9300经验公式有很好的一致性。

[1] Olsen L and Baumgarten G. Gas flow measurement by collection time and density in a constant volume [J]. Flow: Its measurement and control in science and industry, ISA (1971):1287-1295

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[3] Wright J, Johnson A and Moldover M. Design and uncertainty analysis for a PVTt gas flow standard [J]. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, 2003, 108(1): 21-47

[4] Ishibashi M, Morioka M. Theoretical discharge coefficient of a critical circular-arc nozzle with laminar boundary layer and its verification by measurements using super-accurate nozzles [J]. Flow Measurement and Instrumentation, 2000, 11:305-13

[5] Ishibashi M, Morioka T. The renewed airflow standard system in Japan for 5-1000m3/h [J].Flow Measurement and Instrumentation, 2006, 17(3): 153-161

[6] ISO 9300 Measurement of Gas Flow by Means of Critical Flow Venturi Nozzles[S], 2005

[7] Li CH, Cui LS, Wang C. The new pVTt facility in NIM [C]. 16th International Flow Measurement Conference, FLOMEKO, 2013

[8] Cox M G. Evaluation of key comparison data. Metrologia, 2002, 39: 589-595

[9] Cox M G. The evaluation of key comparison data: determining the largest consistent subset. Metrologia, 2007, 44:187-200

质检公益性行业科研专项(项目编号：201210004，201510003)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.12