張相山，羅藝青

（1.貴州省計量測試院，貴州 貴陽 550003；2.貴州燃氣集團有限責任公司，貴州 貴陽 550002）

0 引 言

臨界流文丘里噴嘴（以下簡稱音速噴嘴或噴嘴）作為一種氣體流量計，由于結(jié)構(gòu)簡單、沒有可動部件，具有良好的長期穩(wěn)定性，被廣泛用作氣體流量標準裝置中的標準表。該類裝置具有不確定度小、測量范圍寬、自動化程度高、被檢儀表種類多等特點，在氣體流量的溯源體系中起著極其重要的作用。

由于氣體流量測量對各種環(huán)境條件的波動十分敏感，還涉及到狀態(tài)轉(zhuǎn)換、濕度修正等問題，而音速噴嘴所謂的臨界流狀態(tài)測量更是顯得較為特殊[1-2]。所有這些問題的存在，常常造成實際測量準確度的下降，甚至導致獲得錯誤的測量結(jié)果。以一套負壓法音速噴嘴氣體流量標準裝置應(yīng)用為例對上述問題進行試驗研究，本裝置測量范圍為：1～3 000 m3/h，擴展不確定度為：Ur=0.3%（k=2），由計算機系統(tǒng)進行控制，通過多個噴嘴實現(xiàn)流量值的任意組合，自動進行溫度、壓力檢測和數(shù)據(jù)處理。

1 溫度、壓力測量

氣體流量計量是能源計量最重要的組成部分，應(yīng)用音速噴嘴流量標準裝置對氣體流量計進行量值傳遞以獲得流量計的儀表系數(shù)，是保證流量計量準確可靠、實現(xiàn)能源科學管理的重要手段。在模擬試驗中有目的地控制溫度、壓力條件的變化得到相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)，有助于發(fā)現(xiàn)這些變化會引起測量結(jié)果多大程度的變化及其變化趨勢[3]。表1是其他檢測條件保持穩(wěn)定，僅僅改變測量時的溫度條件得到的某流量點下的平均儀表系數(shù)變化情況；而表2則是僅僅改變壓力條件得到的某流量點下的平均儀表系數(shù)變化情況。

表1 溫度變化對儀表系數(shù)的影響

表2 壓力變化對儀表系數(shù)的影響

通過試驗數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)無論是標準裝置的音速噴嘴還是被檢流量計處，當其中之一的溫度變化0.2℃時，對流量計儀表系數(shù)產(chǎn)生影響的變化量約為0.07%，變化0.4℃時的變化量約為0.14%，被檢流量計處溫度變化與儀表系數(shù)變化成反比，音速噴嘴處溫度變化則與儀表系數(shù)變化成正比；當壓力變化100Pa時，對流量計儀表系數(shù)產(chǎn)生影響的變化量約為0.1%，變化200Pa時產(chǎn)生影響的變化量約為0.23%。隨著現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)對檢測技術(shù)的要求越來越高和數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，常用的氣體流量計準確度等級一般在0.2級～1.5級之間，而溫度、壓力測量的微小變化對測量準確度帶來的影響比想象的要嚴重得多。

因此，對環(huán)境條件的穩(wěn)定控制和實現(xiàn)溫度、壓力的準確測量顯得十分的重要，傳感器必須保證足夠的測量準確度等級，同時盡量避免導致其示值波動的外來振動、塵埃污染等一切影響，必要時應(yīng)引入溫度、壓力測量的修正值進行計算，以便使最終測量結(jié)果的不確定度符合更高的要求。

2 關(guān)于濕度修正

由于國內(nèi)大部分音速噴嘴氣體流量標準裝置沒有濕度自動檢測和修正的功能，作為標準裝置應(yīng)用時依據(jù)的是相關(guān)流量計檢測的技術(shù)規(guī)范，而這些技術(shù)規(guī)范僅僅要求上級標準提供準確可靠的實際流量，無法對上級標準的種類和測量方法進行詳細地規(guī)定，所以音速噴嘴的應(yīng)用中較多地存在不進行濕度修正的現(xiàn)象。

采用 GB/T 2188-2007/ISO 9300：2005的濕度修正方法，修正后的質(zhì)量流量qm，h為

式中：xCO2——空氣中CO2所占的摩爾分數(shù)；

表3 濕度變化對噴嘴實際流量的影響

實際上空氣的相對濕度對標準裝置氣體流量的影響較大，通過調(diào)整相對濕度的變化來觀察噴嘴修正后的實際流量變化，得到表3的試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)濕度的存在造成通過音速噴嘴的實際流量較相同條件下干空氣的流量小，且其影響隨著濕度的增加而增加。這主要是由于飽和水蒸汽的密度遠小于空氣密度，使得濕度修正后的質(zhì)量流量較未進行濕度修正的質(zhì)量流量小。對本標準裝置而言，當空氣濕度為60%RH時，修正后的實際氣體流量參比減小約0.3%，而本裝置的準確度等級為0.3級，由此可見，必須進行濕度修正，否則濕度對最終測量結(jié)果不確定度引入的影響甚至會大于使用標準裝置所引入的影響。

3 關(guān)于狀態(tài)換算

應(yīng)用音速噴嘴氣體流量標準裝置對氣體流量計進行量值傳遞，以JJG 1037-2008《渦輪流量計檢定規(guī)程》為例，當工作流體為氣體時，按流量儀表系數(shù)K計算公式，第i個流量點第j次測試，流量計儀表系數(shù)Kij為

式中：Nij——流量計顯示儀表測得的脈沖數(shù)；

Vij——標準裝置測得的實際體積；

Kij——第i個流量點第j次流量計測試的儀表系數(shù)。

每流量點儀表系數(shù)為

氣體流量溫度、壓力狀態(tài)修正后儀表系數(shù)為

式中：n——第i個流量點檢定次數(shù)；

Ps——標準裝置處氣體絕對壓力，Pa；

Ts——標準裝置處氣體熱力學溫度，K；

Pm——流量計處氣體絕對壓力，Pa；

Tm——流量計處氣體熱力學溫度，K；

Zs、Z——氣體壓縮系數(shù)。

對一般常規(guī)的標準表法流量標準裝置而言，如果已經(jīng)在計算機處理軟件中進行了標準裝置實際體積的狀態(tài)換算，則可以直接采用式（2）進行K值的計算，否則在日常工作中都應(yīng)該按照式（4）進行K值的計算，因為標準裝置的實際體積流量應(yīng)該換算為與流量計的體積流量在同一狀態(tài)[4]。

但是在音速噴嘴流量標準裝置的應(yīng)用中，則只能按照式（2）進行K值的計算，這一點應(yīng)該引起足夠的重視，因此有必要討論一下音速噴嘴的體積流量V處于什么狀態(tài)。

依據(jù)相關(guān)國家標準和技術(shù)規(guī)范[5-6]，噴嘴的有關(guān)流量計算公式為

式中：V——音速噴嘴的累計體積流量；

Vm——音速噴嘴的累計質(zhì)量流量；

qm——音速噴嘴的瞬時質(zhì)量流量；

qν——音速噴嘴的瞬時體積流量；

A*——噴嘴喉部面積；

Cd——噴嘴流出系數(shù)；

C*——臨界流函數(shù)；

p0——噴嘴滯止壓力；

T0——噴嘴滯止溫度；

M——摩爾質(zhì)量；

p——流量計處壓力；

T——流量計處溫度；

R——通用氣體常數(shù)；

Z——壓縮系數(shù)；

t——時間。

根據(jù)氣體狀態(tài)方程，用P0、T0、V0表示噴嘴處的滯止壓力、溫度、體積；用 P1、T1、V1表示流量計處的壓力、溫度、體積，有

式中：ρ——密度；

Rm——氣體常數(shù)；

R——通用氣體常數(shù)，R=8.31451J/（mol·K）所以：從以上推導可以看出式（12）與式（7）和式（8）實質(zhì)上是一致的，也就是說音速噴嘴處的體積流量與流量計處體積流量狀態(tài)也是一致的；因此，使用音速噴嘴流量標準裝置進行校準，氣體流量計的儀表系數(shù)計算恰恰不能再次進行狀態(tài)的換算，直接采用式（2）即可。

4 關(guān)于質(zhì)量流量與體積流量

通過比較式（5）與式（7），根據(jù)流體力學原理，當氣體通過臨界流噴嘴時，噴嘴上、下游氣流壓力比達到某一特定數(shù)值的條件下，在噴嘴喉部形成臨界流狀態(tài)，氣流達到當?shù)卮髿鈮合碌囊羲?，流過噴嘴的氣體質(zhì)量流量也達到最大值qm，此時qm只與噴嘴入口處的滯止壓力和溫度有關(guān)，不受其下游狀態(tài)變化的影響[7]。而噴嘴的體積流量需要引入氣體密度進行計算，由于氣體密度在不同的溫度、壓力狀態(tài)下有所不同，所以噴嘴的體積流量不僅與噴嘴入口處的滯止壓力和溫度有關(guān)，也與下游的溫度、壓力狀態(tài)有關(guān)[8]，這一點進一步論證了噴嘴體積流量的狀態(tài)與下游狀態(tài)的一致性。

在音速噴嘴氣體流量標準裝置的應(yīng)用中，由于噴嘴喉部直徑和流出系數(shù)等通過溯源證書得到，可以認為是常數(shù)，當入口處的滯止壓力恒定時，質(zhì)量流量僅與滯止溫度的測量有關(guān)；所以，現(xiàn)有的裝置較多地采用負壓法，用相對穩(wěn)定的當?shù)卮髿鈮鹤鳛樯嫌螇毫Φ淖匀粯藴省?/p>

5 結(jié)束語

在氣體流量計的檢定、校準工作中，依據(jù)技術(shù)規(guī)范進行流量狀態(tài)的換算是必要的，但是一定要關(guān)注標準裝置得到的流量狀態(tài)以避免重復(fù)修正。這里有一個標準裝置與被檢流量計之間所依據(jù)的規(guī)程或規(guī)范的銜接問題，對量傳體系的上級和下級都要有足夠的了解才能保證測量結(jié)果的準確可靠。

在音速噴嘴流量標準裝置應(yīng)用中，溫度、壓力的測量和保證臨界流狀態(tài)及其重要，在設(shè)計和使用中可以考慮采用以下技術(shù)措施：在遲滯箱內(nèi)安裝臨界壓力比傳感器，實時檢測和控制臨界壓力比，確保介質(zhì)流速穩(wěn)定達到音速，同時需要考慮采用引導流噴嘴設(shè)計模式，確保在流量切換過程中臨界壓力比的快速獲得；在信號采樣方面，推薦采用高精度傳感器自動讀數(shù)，降低讀數(shù)誤差；溫度和壓力推薦采用實時檢測連續(xù)修正，在一次檢測中盡量控制溫度、壓力的波動；使用中加強對噴嘴的維護，確保清潔。

[1]蘇彥勛.流量計量與測試[M].北京：中國計量出版社，1992（1）：8-10.

[2]許鈴，汪斌.音速噴嘴氣體流量標準裝置測量不確定度評定[J].中國測試技術(shù)，2007，33（3）：63-64，116.

[3]孫淮清，王建中.流量測量節(jié)流裝置設(shè)計手冊[M].2版.北京：化學工業(yè)出版社，2005（2）：53-54.

[4]JJG 1037—2008渦輪流量計檢定規(guī)程[S].北京：中國計量出版社，2008.

[5]JJF 1024—2010臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置校準規(guī)范[S].北京：中國計量出版社，2010.

[6]GB/T 21188—2007用臨界流文丘里噴嘴測量氣體流量[S].北京：中國標準出版社，2007.

[7]徐英華.臨界流文丘里噴嘴[M].北京：中國計量出版社，2009（2）：17-18.

[8]王池，李芳，王東偉.音速噴嘴檢定過程中幾個問題的分析[J].現(xiàn)代計量測試，2002（1）：3-4.