关于临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置的应用分析

刘胜祥

摘 要：临界流文丘里喷嘴作为标准表的气体流量标准装置，以其结构简单、性能稳定、准确度高、维护方便等特点，在气体流量计的检定及校准中得到了广泛应用，成为量值传递主要方式，使得临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置的应用成为了人们关注的重点。

关键词：临界流文丘里喷嘴；检定；气体流量计；量值传递

1 临界流文丘里喷嘴气体流量标准裝置按照气源可以分为正压法和负压法两种方式。其中，正压法主要是采用天然气或压缩空气为气源，可以在不同压力点下对流量进行测量，与负压法相比，更接近于被检表的工况。其缺点是喷嘴对上游滞止压力的稳定性要求比较高，投入成本很高，且不易实现；而负压法是采用真空装置在临界流文丘里喷嘴下游来抽取真空，而形成喷嘴所需的临界流条件，流量稳定，且成本投入低，但受压力和测量范围所限。

2临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置的工作原理

临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置主要由自动化控制系统、压力变送器、温度变送器、缓冲容器、文丘里喷嘴、真空泵等组成。根据气体动力学原理，当气体通过临界流文丘里喷嘴上、下游的压力比达到临界状态时，气体达到最大速度。此时流过喷嘴的气体的流量只与喷嘴入口处的滞止压力和温度有关，滞止容器需要测温、测压，代入公式计算可得到通过临界流文丘里喷嘴的质量流量，通过测量被检表处的温度和压力，可以计算出空气密度，再加上湿度修正进而得到标准体积流量。

3临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置的应用分析

3.1临界流文丘里喷嘴理论计算及压力变送器的检测运用。

对于上述公式中每个参数都必须准确可靠才能保证整套标准装置的准确度。对于公式里的一些固定值，不同地区不同环境流出函数C*和气体常数R存在一定的差别，可根据实际工况而定；目前计算气体工况体积流量的算法大致存在两种方法，一种是用喷嘴的质量流量除以工况密度所得；另一种算法是用气体的质量流量除以标况密度得到标况体积流量，再根据气体状态方程计算出气体的工况体积流量，由于对于气体的工况密度算法目前存在多种算法和修正，所以两种算法存在一定的差距，这主要是由于不同的临界流文丘喷嘴气体流量标准装置生产厂家所用的计算公式不同。

在喷嘴流量的计算过程中有温度、压力、湿度的参与计算，这是除喷嘴以外决定量值能否准确传递的关键因素。下面是两台不同生产厂家的压力变送器的在同一标准压力值下不同安装方式的测量数据：

由上表可看出，取压口垂直向下的和垂直向上安装最少相差0.45kPa，这可能导致整套装置的测量结果超过0.4%的影响。所以在对喷嘴标准装置上的压力变送器进行周期检定或校准时取压口必须和现场安装一致，也可以选择不拆下现场校准使用。

3.2密封性的检测

在对静态密封性进行检测的过程中，要对标准装置的密封性进行检查，从而保证临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置的工作正常。如果要对装置密封性实时监测功能的检测，最好采用双阀密封的方法，也就是在喷嘴组的每个喷嘴下游安装双阀门，并且在双密封法之间安装压力检测装置，并根据双阀门之间的压力变化，对阀门的密封情况进行实时检测（见图1），而利用这种检测方法，不仅能够起到“双保险”的作用，还能够有效减少因阀门泄漏而造成装置密封不严的问题。同时，通过在两个阀门中间设置测压孔，能够对喷嘴上下游差进行实时测量，并且将差压变送器的输出信号实时传递给计算机，从而根据计算机的显示来实时监测阀门的密封情况。

对于一些早期或未装有双阀密封的临界流文丘里音速喷嘴的标准装置建议每周进行一次密封性检测。可在滞止容器上安装一个压力表或压力变送器可采用正压法和负压法进行密封性检查，简述而言就是从滞止容器中充气或抽真空，过段时间读取一次压力值，看压力值的变化判断是否有漏气现象。一旦发现泄漏问题，就要及时寻找泄漏部位，并采取有效措施进行及时解决。

3.3临界流文丘里喷嘴标准装置工作状态的检测（期间核查）

对于临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置的工作状态的检测，第一种方法是选择一台性能稳定的流量计进行试验，通过不同喷嘴组合出相近的流量点，测出流量计的仪表系数或示值误差，分析其不确定是否符合标准，以确定标准装置工作状态；另一种方法就是选择量值传递法，同样选择一台性能稳定的流量计在准确度更高的标准装置上测量流量计的仪表系数或示值误差，再用喷嘴装置测量同一流量点的仪表系数或示值误差，分析其不确定度是否符合标准，也可确定标准装置的工作状态。

对临界流文丘里喷嘴标准装置的应用，除了理论上的计算分析需要准确无误，实际应用更为重要，尤其是压力变送器的安装方式和校准方式的一致性容易被忽视；还要保证标准装置的密封性，一定要实时或定期检查；最后要保证装置的工作状态是正常，要定期用不同的方法进行期间核查。以保证量值准确可靠的传递。

参考文献：

[1]苏一林.基于高压临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置的涡轮流量计计量性能研究[D].河北大学，2017.