權(quán)亞強(qiáng)， 侯雪丹

(成都秦川物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司，四川成都610100)

負(fù)壓法臨界流文丘里噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置是常見的檢定膜式燃?xì)獗淼臉?biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置之一，且在實踐中得到了廣泛應(yīng)用。本文將結(jié)合負(fù)壓法臨界流文丘里噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置(以下簡稱檢定裝置)的原理和結(jié)構(gòu)特點，針對實際工作中遇到的泄漏方面的問題進(jìn)行討論。本文中的壓力指絕對壓力。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)指壓力為101 325 Pa，溫度為293.15 K。

1 檢定裝置概況

① 檢定裝置組成

臨界流文丘里噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置組成見圖1，檢定裝置由檢定氣路系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成。

a.檢定氣路系統(tǒng)

由大氣進(jìn)口、串聯(lián)被檢表組的進(jìn)口閥組(由GL1、GR1組成)及出口閥組(由GL2、GR2組成)、串聯(lián)被檢表組、滯止容器(裝有一組并聯(lián)且可實現(xiàn)特定流量組合的臨界流文丘里噴嘴)、各噴嘴支路閥組、噴嘴支路匯入的背壓容器(匯管)、真空泵和大氣出口組成。

b.信息采集系統(tǒng)

由氣流參數(shù)采集模塊和噴嘴校準(zhǔn)證書參數(shù)采集模塊組成。氣流參數(shù)采集模塊實現(xiàn)氣流濕度、溫度、壓力和檢測時間等參數(shù)的采集，濕度通過大氣進(jìn)口處的濕度傳感器RH采集，溫度和壓力由分別設(shè)置在串聯(lián)被檢表組的左側(cè)、右側(cè)和滯止容器上的溫度傳感器和壓力傳感器采集，檢測時間通過晶振采集。噴嘴校準(zhǔn)證書參數(shù)的采集包含噴嘴喉部直徑d、雷諾數(shù)Red、流出系數(shù)Cd等氣流參數(shù)的采集，是從操作控制系統(tǒng)的校準(zhǔn)證書模塊采集到的。

c.操作控制系統(tǒng)

由操作界面、真空泵啟停系統(tǒng)、被檢表夾裝系統(tǒng)、被檢表流量參數(shù)設(shè)置模塊、氣密性參數(shù)設(shè)置模塊、計量特性要求設(shè)置模塊、校準(zhǔn)證書模塊、結(jié)果計算與判定模塊組成。其中被檢表夾裝系統(tǒng)由檢測臺面、進(jìn)出氣口密封圈、連接管路升降裝置、動力氣路系統(tǒng)及氣缸等組成。被檢表流量參數(shù)設(shè)置模塊按照檢定裝置制造商聲稱的能力設(shè)置，氣密性參數(shù)設(shè)置模塊按照制造商聲稱的能力和企業(yè)操作水平設(shè)置，計量特性要求設(shè)置模塊按照技術(shù)規(guī)范和法制計量要求設(shè)置，校準(zhǔn)證書模塊是通過操作人員將證書的校準(zhǔn)信息錄入操作控制系統(tǒng)的證書模塊而實現(xiàn)的，結(jié)果計算與判定模塊由檢定規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)要求或合同規(guī)定設(shè)計。

圖1 臨界流文丘里噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置組成

d.顯示系統(tǒng)

由顯示界面、實時數(shù)據(jù)顯示模塊等組成。

② 檢定裝置原理

檢定裝置原理見圖2，圖中，信息采集系統(tǒng)采集串聯(lián)被檢表組上光電采樣器的脈沖數(shù)信號Ni、脈沖開啟信號Soi、脈沖關(guān)閉信號Sci(包含12只表，i=1～12)。檢定裝置運(yùn)行時，啟動真空泵，開啟閥門GL1和GL2(或GR1和GR2)和所需噴嘴支路閥門，空氣通過進(jìn)口閥GL1(或GR1)進(jìn)入管道，流經(jīng)串聯(lián)被檢燃?xì)獗斫M，經(jīng)出口閥GL2(或GR2)流向滯止容器，再從滯止容器的臨界流文丘里噴嘴組流向所需支路管道，經(jīng)噴嘴支路閥進(jìn)入?yún)R管，從真空泵排出。

檢定時，在相同時間間隔內(nèi)，氣體連續(xù)地流過串聯(lián)被檢表組與滯止容器中的臨界流文丘里噴嘴支路組成的串聯(lián)管路系統(tǒng)。當(dāng)管路無任何泄漏時，根據(jù)連續(xù)性方程，流過管路任意截面的質(zhì)量流量相等，所以采用臨界流文丘里噴嘴喉部的質(zhì)量流量作為標(biāo)準(zhǔn)流量對被檢燃?xì)獗磉M(jìn)行檢定和校準(zhǔn)。

在每只燃?xì)獗硖幎及惭b有差壓變送器、光電采樣器。差壓變送器用于每只燃?xì)獗韷毫p失的測量。光電采樣器用于被檢燃?xì)獗眢w積的采集，燃?xì)獗碛嫈?shù)器刻度字輪上有反射點，光電采樣器工作時，對刻度字輪上轉(zhuǎn)動的反射點進(jìn)行光電采樣，刻度字輪轉(zhuǎn)動1圈，光電采樣器就采到1次，代表一定的通氣量。檢定過程中，被檢燃?xì)獗韺?yīng)的差壓變送器、光電采樣器測得的量傳送到操作控制系統(tǒng)中進(jìn)行計算與判定，判定結(jié)果傳送到LED顯示，在對應(yīng)表位上顯示誤差和壓力損失。

2 泄漏原因分析與維護(hù)措施

檢定裝置在工作狀態(tài)可能泄漏點基本上都屬于靜密封點，但由于在檢定過程中串聯(lián)管路的被檢表接入和卸下的工作特點，使被檢表進(jìn)、出氣口管接頭與氣路系統(tǒng)進(jìn)氣管、出氣管連接處經(jīng)常處于變化狀態(tài)，給檢定裝置保持氣密性帶來一定難度。由于檢定裝置配套傳感器或儀表的檢定周期需求，這些配套設(shè)備拆出送檢和裝回檢定裝置時可能帶來泄漏風(fēng)險。由于檢定過程中閥組按需打開和關(guān)閉，且經(jīng)常處于快速開關(guān)切換狀態(tài)，閥組泄漏對檢定裝置的檢定過程也會帶來一定風(fēng)險。

① 被檢表管接頭與氣路管道連接處

燃?xì)獗頇z定機(jī)構(gòu)或燃?xì)獗碇圃焐痰男?zhǔn)檢定工序一般是一組接一組對燃?xì)獗磉M(jìn)行檢定，每組中每一臺被檢表的進(jìn)、出氣口管接頭與氣路系統(tǒng)連接處在開始檢測時，都要進(jìn)行細(xì)致檢查，對不合格的密封圈要進(jìn)行更換，當(dāng)檢定裝置依靠檢測臺面夾緊表體時，還要對檢測臺面的平面度和水平度進(jìn)行檢測，以保持檢定時表體處于直立狀態(tài)。日常檢定時應(yīng)采取以下維護(hù)措施。

a.被檢燃?xì)獗磉M(jìn)出氣口和表體底平面符合檢定裝置要求。檢查被檢表接頭上端面平齊度和接頭中心距，必要時調(diào)整檢定裝置進(jìn)出氣口接頭距離；檢查表體底平面并清除顆粒物，如果有墊塊應(yīng)保證墊塊上下面平行。

b.密封圈檢查。檢查表體進(jìn)出氣口密封端面是否有缺陷，若密封端面受損或存在凸起就會造成密封圈變形受損影響氣密性，反復(fù)使用可能導(dǎo)致泄漏。應(yīng)定期更換密封圈，以保證串聯(lián)被檢表組與進(jìn)出氣口結(jié)合處的密封性。

圖2 臨界流文丘里噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置原理

c.清除掉落到密封面的污染物或雜質(zhì)。被檢表管接頭與氣路管道連接處存在污染物或雜質(zhì)，可能造成結(jié)合面處存在間隙，使密封性能下降造成泄漏。

② 氣動角座閥

氣動角座閥廣泛應(yīng)用于短時間內(nèi)頻繁啟閉場合，具有反應(yīng)迅速、動作靈敏的特點，配合電磁閥使用，用氣動控制可準(zhǔn)確控制氣體、液體流量，實現(xiàn)準(zhǔn)確控溫等要求[1]。在使用過程中，氣動角座閥也有可能發(fā)生泄漏，泄漏原因分析及措施如下。

a.閥芯使用時間過長，造成閥芯頭部磨損腐蝕，可向下調(diào)節(jié)閥桿以減小空隙。b.氣動角座閥閥芯周圍受到介質(zhì)腐蝕，應(yīng)取出閥芯進(jìn)行研磨，嚴(yán)重時應(yīng)更換閥芯。c.氣動角座閥閥內(nèi)有焊渣、鐵銹等污染物堵塞，應(yīng)拆卸進(jìn)行清洗。d.在長期使用的情況下，角座閥中的彈性密封材料的物理及化學(xué)性質(zhì)都會發(fā)生變化，密封材料發(fā)生溶解等是角座閥泄漏的重要原因之一。

③ 法蘭

在裝置工作過程中，內(nèi)部的空氣介質(zhì)引起的壓力脈動將不可避免地導(dǎo)致管道及連接部位發(fā)生小幅振動，造成墊片與法蘭密封面的微動磨損，從而降低法蘭連接的密封性能[2]。

④ 配套設(shè)備送檢后裝回時的氣密性檢測

當(dāng)管路系統(tǒng)上所配備的壓力傳感器、溫度傳感器拆出送檢后重新裝回檢定裝置時，應(yīng)按照制造商提供的方法對檢定裝置的氣密性進(jìn)行檢測，一般是采用一組容積與燃?xì)獗砣莘e相近的標(biāo)準(zhǔn)密封器進(jìn)行檢測。因為檢定裝置為負(fù)壓法檢定，所以氣密性檢測時被檢管路封閉系統(tǒng)內(nèi)部壓力小于外部環(huán)境大氣壓力，若有泄漏，則大氣從外部環(huán)境進(jìn)入被檢管路系統(tǒng)內(nèi)部，導(dǎo)致壓力升高，若無泄漏則壓力無變化。

3 泄漏率計算公式推導(dǎo)

① 已知條件

假設(shè)檢定過程的氣流符合理想氣體狀態(tài)方程。由于被檢表的規(guī)格型號及檢定裝置已經(jīng)確定，即單臺被檢表內(nèi)凈容積、管路凈容積、滯止容器凈容積均已知。檢定過程中，封閉系統(tǒng)總凈容積為：

Vtot=mV1+V2+V3

(1)

式中Vtot——封閉系統(tǒng)總凈容積，m3

m——被檢表的數(shù)量

V1——單臺被檢表內(nèi)凈容積，m3

V2——管路凈容積，m3

V3——滯止容器凈容積，m3

檢定過程中，氣密性檢定條件為：通過真空泵抽吸作用，在被檢管路內(nèi)形成所需要的穩(wěn)定檢測壓力pjc，然后關(guān)閉檢定氣路系統(tǒng)進(jìn)氣口閥組和各噴嘴支路閥組，保持所需要的時間t，封閉系統(tǒng)內(nèi)氣體的壓力變化不超過Δp，則表明檢定氣路系統(tǒng)在該壓力下檢定時的泄漏率符合要求。氣密性檢測方案有以下3種。

a.當(dāng)關(guān)閉圖2中的串聯(lián)被檢表組的進(jìn)、出口閥組(GL1、GL2和GR1、GR2)，可只對被檢表組內(nèi)凈容積mV1及串聯(lián)被檢表組進(jìn)、出口閥組所封閉管路凈容積Vg1的氣密性進(jìn)行檢測。此時封閉系統(tǒng)總凈容積為mV1與Vg1之和。

此方案可用于安裝調(diào)試過程中串聯(lián)被檢表組管路連接的氣密性檢測，也可用于日常串聯(lián)被檢表組氣密性檢測及更換串聯(lián)被檢表組氣路管路閥門、溫壓傳感器后的氣密性檢測。

b.當(dāng)關(guān)閉圖2中的串聯(lián)被檢表組的出口閥組GR2、GL2和噴嘴支路閥組K1，K2，…，Kn時，可只對滯止容器凈容積V3及兩個閥組所封閉管路凈容積Vg2的氣密性進(jìn)行檢測。此時封閉系統(tǒng)總凈容積為V3與Vg2之和。

此方案可用于檢定裝置制造階段、安裝調(diào)試過程中滯止容器及管路連接的氣密性檢測，也可用于日常更換噴嘴支路管路閥門、溫壓傳感器后的氣密性檢測。

c.當(dāng)關(guān)閉圖2中的串聯(lián)被檢表組的進(jìn)口閥組GL1、GR1和噴嘴支路閥組K1，K2，…，Kn時，可對兩個閥組之間的串聯(lián)被檢表組內(nèi)凈容積mV1、管路凈容積V2、滯止容器凈容積V3的氣密性進(jìn)行檢測。此時封閉系統(tǒng)總凈容積見式(1)。

本文以第3種方案為例進(jìn)行氣密性檢測方案的討論。

② 泄漏率計算公式推導(dǎo)

a.檢測過程分析

檢定裝置開始計量特性檢定前，先要對檢定氣路系統(tǒng)的氣密性進(jìn)行檢測。封閉系統(tǒng)氣體溫度與環(huán)境溫度相同，均為293.15 K。以該封閉系統(tǒng)為研究對象，存在：

pjcVtot=n1RT

(2)

式中pjc——封閉系統(tǒng)檢測壓力，Pa

n1——封閉系統(tǒng)氣體物質(zhì)的量，mol

R——摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)，取8.314 462 1 J/(mol·K)

T——封閉系統(tǒng)氣體溫度，K

由于微小泄漏，經(jīng)過一段檢測時間t后，對于封閉系統(tǒng)，存在關(guān)系：

(pjc+Δp)Vtot=(n1+Δn)RT

(3)

式中 Δp——泄漏引起封閉系統(tǒng)壓力變化量，Pa

Δn——泄漏引起封閉系統(tǒng)物質(zhì)的量變化量，mol

式(3)減去式(2)再變形，可得：

(4)

由于存在關(guān)系：

pjcVm2=p1Vm1=RT

(5)

式中Vm2——在溫度T、壓力pjc下的氣體摩爾體積，m3/mol

p1——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)壓力，Pa

Vm1——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體摩爾體積，m3/mol

因此可得到泄漏引起體積的變化量：

ΔV=Vm2Δn

(6)

式中 ΔV——泄漏引起體積的變化量(在pjc、T工況下)，m3

將式(4)、(5)代入式(6)，可得：

(7)

(8)

由式(8)可知，在密封性檢測時，在檢測時間5 min內(nèi)，ΔV應(yīng)不超過Vtot的0.1%。

在檢測時間t內(nèi)的泄漏率q為：

(9)

式中q——泄漏率(在pjc、T工況下)，m3/s

t——檢測時間，s

b.壓力變化量限值的確定

依據(jù)JJF 1240—2010，泄漏引起封閉系統(tǒng)壓力變化量Δp不應(yīng)超過檢測壓力pjc的0.1%。因此，檢測過程中，在考慮檢測溫度T不變、檢測時間t變化的情況下，壓力變化量限值為：

(10)

式中 Δpx——泄漏引起封閉系統(tǒng)壓力變化量限值，Pa

例如，在下文算例中，表1中壓力變化量Δp為10 Pa。Δp小于等于Δpx才合理，而按式(10)計算得出Δpx為125 Pa，Δp小于Δpx，因此表1中壓力變化量合理。

③ 算例

以第3種氣密性檢測方案為例進(jìn)行計算。

以某地一臺負(fù)壓法臨界流文丘里噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置為例，假設(shè)密封性檢測時該裝置封閉系統(tǒng)總凈容積Vtot為0.05 m3。對于流量低區(qū)(最小流量qmin到分界流量qt的區(qū)間內(nèi))，規(guī)定在系統(tǒng)的檢測壓力為94 kPa的條件下封閉400 s，Δp不超過10 Pa。對于流量高區(qū)(分界流量qt到最大流量qmax區(qū)間內(nèi))，規(guī)定在系統(tǒng)的檢測壓力為90 kPa的條件下封閉50 s，Δp不超過15 Pa。根據(jù)式(9)，密封性檢測時，將規(guī)定的泄漏指標(biāo)換算為各流量點泄漏引起的泄漏率，見表1。

表1 密封性檢測時各流量點泄漏引起的泄漏率

由上述分析計算可知，針對此臺臨界流文丘里噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置，在密封性檢測時各流量點設(shè)定泄漏相關(guān)指標(biāo)時均應(yīng)符合表1中的值。

綜上所述，在檢測過程中，可根據(jù)上述方法分析計算裝置在各流量點的泄漏率等參數(shù)并設(shè)定泄漏相關(guān)指標(biāo)，以確保裝置泄漏造成的泄漏率在允許的范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

① 介紹負(fù)壓法臨界流文丘里噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置的組成和工作原理。對裝置泄漏的原因進(jìn)行分析，提出處理方法及維護(hù)措施。

② 依據(jù)JJF 1240—2010《臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范》，提出在考慮檢測溫度不變、檢測時間變化的情況下檢測過程中壓力變化量限值的計算方法。

③ 提出泄漏率的計算方法，根據(jù)此方法可在實際工作中對不同流量點的泄漏率等進(jìn)行分析計算并設(shè)定泄漏相關(guān)指標(biāo)。