临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准方法的研究

程旭然

（天津航空机电有限公司，天津 300000）

0 引言

临界流文丘里喷嘴（简称音速喷嘴）应用广泛，尤其在航空航天、石油化工等领域，该装置可应用于流量测量或作为气体流量标准装置，具有结构简便、维护方便以及高重复性、稳定性及准确性等特点。

国内计量检定机构采用的气体流量标准装置均采用负压法，应用真空泵提供动力源，其喷嘴的滞止压力即为大气压。正压法应用空压机作为气源，不必考虑干燥、净化等装置带来的压损。正压法很难提高流量稳定性，相比于负压法，正压法提供了与被测流量计的工作条件更为接近的工况[2]。

针对本单位拟组建一套临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置（以下简称标准装置）的测试验收工作，发现JJF1240-2010《临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准规范》在气密性检查及初始流量调节时间等方面考核不全面，同时缺乏正压法流量测试系统临界背压比的具体测试方法。

1 临界流文丘里喷嘴工作原理

音速喷嘴原理公式：

式中：qm 为质量流量(kg/s)，A＊为喉部内截面积(m2)，C 为流出系数，C＊为临界流函数，P0 为滞止压力(Pa)，T0 为滞止温度(K)，R 为通用气体常数，M 为摩尔质量(g/mol)[3]。

2 装置技术指标及组成

2.1 装置技术指标

技术指标：

1)压力：采用正压法；

2)流量范围：0～3000kg/h；

3)检定介质：空气；

4)临界流文丘里喷嘴流出系数不确定度：0.2%；

5)装置总不确定度：0.23%。

图1 气体个标准装置流程图

2.2 装置组成

该装置第一部分为气源部分，即空压机的压缩空气经前过滤器、干燥机、后过滤器、储气罐到达被指控精过滤器，经过滤后得到高品质气源，第二部分为调节系统，主要由喷嘴上游压力变送器和温度变送器，以及下游滞止容器、喷嘴及调节喷嘴流量的阀门组成。第三部分主要由被检试件出口及入口的测温和测压仪表构成以及安装被检试件的试验工装组成，同时包括供电系统，数据测量系统，以及辅助的管线等，如图1 所示。

3 若干装置校准问题的探讨

3.1 气密性检验

3.1.1 存在问题

依据JJF1240-2010，关于密封的评估只需要检查装置的静态情况，而对于在工作过程中可能发生的泄漏现象未做要求，因此在实际工作中不容易发现由于密封性差而导致失真。

通常，要检查在工作压力下每个组件的连接处是否存在漏气来评价气密性。但是，上述密封检查方法可以在静态条件下检查装置的密封状态。 由于多个喷嘴的组合，如果其他喷嘴零件的阀门没有关闭到位或出现暂时性故障，并且发生少量泄漏，则不容易被发现，不可避免地会影响测试结果， 特别是在小流量点的测量中。

3.1.2 气密性检验方法改进

针对以上问题，提出了针对计量段泄露进行全方位的系统气密性检查方法。

用于音速喷嘴对应的气动阀门泄露检查。首先打开系统所有阀门放空系统压力到大气压，再打开进气

总阀，调节阀组开度给到100%，自力阀1 调整到全开位置，靠近汇流容器的气动球阀关闭3，给此段管路充气，当滞止容器压力达到500kpa 时关闭靠近滞止容器的气动球阀2，当滞止容器压力达到750kpa 时进气总阀自动关闭，观察管路上压力变送器5 的压力变化（泄露判断方法同上），如果正报警，说明靠近滞止容器的气动球阀有内泄露，如果负泄露，说明靠近汇流容器的气动球阀有内泄露。找出对应的气动球阀后拆下检查处理。

3.2 临界背压比测试

3.2.1 存在问题

JJF1240-2010 未给出明确的正压法临界背压比测试方法。

3.2.2 临界被压比测试

当喷嘴入口处的停滞压力和停滞温度恒定时，通过喷嘴的质量流量也恒定，这是校准气体流量计的基础。

以本单位标准装置为例，其中压力变送器P0 为入口压力，P3 为出口压力，通过提高P3 压力使喷嘴达到临界状态，进而获得临界背压比。

此项测试适用于喷嘴首次安装在使用装置上进行临界背压比的实际测量。具体测试方法如下：系统安装完成后，测试段选用一条DN65 的管道用金属软管连通，测试管线阀门全部打开，自力式调节阀2 打开，调节背压调节阀。系统充气走正常测试流程，打开一个喷嘴（如：50kg/h），待流量稳定后再慢慢关闭末端背压阀，记录此时喷嘴流量值及P3 及P0 的值。此时保持P0 稳定，P3 数值缓慢增加。待P3 接近P0，P0 出现显著上升。记录此时P3 值。再用这个P3 压力除以原流量稳定时的滞止压力P0，就得出了该喷嘴的临界背压比，其它喷嘴同理得出背压比。实测各临界背压比结果如下表：

表2 临界背压比测试数据

3.3 初始流量调节时间校准

3.3.1 存在问题

在现有装置中，喷嘴前面有很大的“管道容积”，在原有校准方法中，未规定预通气时间。因此，存在当设备监测到喷嘴已达到临界流量状态时，被测流量计尚未达到验证状态或者没有运行的可能。在原校准方法中未规定预通风时间。 因此，被测试件有可能仍未达到验证状态。

但JJF1240-2010 中并未给出初始流量调节时间校准的方法及具体要求。

3.3.2 初始流量调节时间校准方法的确定

通过长期的实验观察，发现在设定较小的流量点时，预通风时间的长短将直接影响被测流量计是否已稳定到预定的流量点，这很容易影响到校准结果。

原因是从仪表到喷嘴入口的“管道容量”很大。当设定较小的流量时，如果设定的预通风时间短，则喷嘴可能已达到临界流量状态，并且被测流量计的流量对于被测流量点仍然不稳定。如果此时进入校准状态，则会有较大的偏差。

用空管连通整个管路系统，关闭气动阀门15-24。自力阀调整到全开位置，打开进气总阀，关闭滞止容器排空阀，对装置进行通气。使滞止容器内的压力稳定在550kPa±1kPa 时记录通气时间，以实际应用要求确定时间要求。

4 装置系统测量不确定度的评定

依据文丘里喷嘴流量原理模型，喷嘴的检定与使用条件、介质是相同的，因此A＊、C＊、M、R 的值相同，忽略它们的不确定度[4]。因为使用了净化和干燥的装置，可得到干燥空气，故不考虑临界流量函数C＊及气体的摩尔质量M 的变化。因此，试验台不确定度分析主要考虑：流出系数C、喷嘴前滞止压力P0、喷嘴前滞止温度T0、被试流量计前压力被试流量计前温度及测控系统采集卡。

故标准不确定度评定包含以下内容：

1)喷嘴流出系数引入的的相对标准不确定度u(c)：依据检定证书，流出系数的相对扩展不确定度为0.2%，k=2，则u(c)=0.1%。

2)喷嘴滞止压力测量的相对标准不确定度u(p0)：应用压力变送器测量滞止压力，根据证书，允许误差为P=±0.05%，按矩形分布，则u(pa)=0.05%/=0.029%。

3) 喷嘴滞止温度测量的相对标准不确定度u(T0)：应用温度变送器测量喷嘴前的滞止温度，允许误差为±0.1 ℃，则室温下得相对误差D=±0.1/(273.15+20)=0.034%，按矩形分布考虑，u(Ta)=0.034%/ 꿾=0.02%。

4) 被校流量计处温度的相对标准不确定度u(T)：采用温度变送器检测被校流量计处的温度，允许误差为±0.1 ℃，取室温下得相对误差D=±0.1/(273.15+20)=0.034%，按矩形分布考虑，u(T)=0.034%/=0.02%。

5)被校流量计处压力测量的相对标准不确定度u(p)：被校流量计处压力测量采用温度变送器，根据证书给定数据，压力允许误差为P=±0.05%，按矩形分布考虑，则u(p0)=0.05%/=0.029%。

6)测量系统采集精度的相对标准不确定度u 测：测控系统采集卡检定结果可得采集装置相对扩展不确定度为0.06%，k=2，则u 测=0.03%。

标准不确定度计算如下，其中合成标准不确定度：合成扩展不确定度：

5 结论

结合建立的正压法文丘里喷嘴气体流量标准装置，通过对JJF1240-2010 要求的梳理分析，提出了针对正压法流量校准装置临界背压比的校准方法，同时给出了对于气密性及流量调节时间的具体可参照校准方式。可为正压法文丘里喷嘴气体流量标准装置的校准和设计提供有效参考。