正压法音速喷嘴流量标准装置的研究及应用

Research and Application of Standard Flow Device

Based on Positive Pressure Critical flow Venturi

nozzles Method

齐利晓，张 涛，刑 娟，杨彤

（天津大学 电气与自动化工程学院 天津300072）

摘要：本文研究了正压法音速喷嘴标准装置的原理，对天津大学过程检测与控制实验室建立的正压法临界流音速喷嘴气体流量标准装置进行了详细介绍，在装置上对涡轮和涡街流量计进行了实验，并对结果进行了分析，这对于建立高精度流量标准装置具有一定的参考价值。依据有关的国家检定规程，该装置可对涡轮、涡街、叶轮、旋进旋涡等速度式流量计和腰轮、煤气表容积式流量计进行检定。

关键词：临界流，正压法，音速喷嘴，标准装置

Abstract:

Keywords: Critical flow, Positive pressure, Venture nozzles, Standard device

0 引言

建立高准确度的流量标准装置是进行流量计研究和制造的基础。气体流量因受温度、压力、湿度及其性质的影响比液体较为明显，为检定不同种类的气体流量计所建立的标准装置种类繁多，为了研究气体密度（压力）变化，对气体流量计性能的影响，天津大学过程检测与控制实验室设计并建立了一套正压法音速喷嘴试验装置进行气体流量计的检定。

音速喷嘴气体流量标准装置具有如下优点：

(1)正压法音速喷嘴气源压力可调，这样就可以通过改变气源压力调整气体密度，为研究气体密度变化对流量计的影响提供了条件；

(2)作为标准流量计，它既可以在线标定亦可以离线标定各种气体流量计；

(3)适用的流体工作条件如温度、压力、最大流量等极宽；

(4)精度高，喷嘴精度0.2级，整个标准装置精度优于0.5级；

(5)它对于高压大流量气体流量的测量比其它标准装置优越，如结构简单，体积小，复现性好，检定周期长（一般为五年）。

对于油田、石化、天然气等工业测量范围，大多采用音速喷嘴法。音速喷嘴法气体流量标准装置的气源设置有正压法和负压法两种。正压法装置通过改变喷嘴入口的滞止压力，容易地改变流过喷嘴的气体质量流量，用较少的喷嘴实现较宽的流量范围，而且较高而可变的气源压力可以使其工作在正压（气体绝对压力在0.2MPa以上）状态下，从而气体密度高于常压装置，具有不同密度（压力）点上的试验能力，可用于研究气体密度变化对于流量仪表性能的影响。

1 音速喷嘴装置原理

1.1 音速喷嘴测量原理

音速喷嘴的结构如图1所示，孔径最小的部分称为喷嘴的喉部。其中1P为音速喷嘴的下游出口压力两者的比值10PP为节流压力比。

图1 音速喷嘴结构图

Fig.1 Venturi nozzle

对于音速喷嘴来说，存在一个临界压力比： 1102()()1kkiPPk （1）

式中：

k——气体的比热容。

当节流压力比10PP大于临界压力比10()iPP时，通过喷嘴喉部的气体流速随节流压力比的减小而增大。当10PP10()iPP时，喉部流量达到临界流速——音速。当10PP<10()iPP时，流速（流量）将保持恒定不变，也就是说流速（流量）只与上游压力有关，而不再受下游压力的影响。

当喷嘴满足临界压力比（10PP <=10()iPP）条件时喷嘴瞬时质量流量：

qm=A*CC* P0/ 0)/(TMR （2）

式中：

qm—喷嘴的质量流量，kg/s

A*—喷嘴喉部的内截面积，m2 A*=d2/4

d喷嘴喉部直径 m，喷嘴检定证书给出

C—喷嘴的流出系数，喷嘴检定证书给出

C*—临界流函数，对于空气 C*=0.684901 对于蒸汽 C*=0.6721

P0—喷嘴前的气体滞止绝对压力，Pa

T0—喷嘴前的气体滞止热力学温度，k

R—通用气体常数，8.31441 J/(mol.k)

M—气体摩尔质量，kg/mol

空气密度计算公式

t0.003486P/t （3）

—空气密度3Kg/m

tP—流量计处绝压，Pa

t—流量计处温度，k

将qm、带入式（4）可以计算出流过流量计处的气体体积流量。

V＝mq （4）

1.2 音速喷嘴装置原理

气源的设置有正压法和负压法两种，其基本结构如图2所示。

负压法，如图2中（a）所示，就是以大气作为源头，在喷嘴下游用真空泵造成负压以满足临界条件。这种方法的好处是气源为无限大大气，压力稳定，系统比较简单，所需投资以及运行费用都比较少。但是，由于是用大气作为气源，气源压力，即气体密度，不可调，不能通过负压法研究气体密度变化对流量计的影响如何变化；

大气背压容器 喷嘴选择阀门 缓

冲

罐 滞止容器P1P0T0T1（a）负压法P0T0

背压容器 喷嘴选择阀门 缓

冲

罐 大气滞止容器T1P1（b）正压法空压机真空泵

图2 负压法与正压法基本结构

Fig.2 Structures of negative and positive pressure methods正压法，如图2中（b）所示，可以通过改变喷嘴入口的滞止压力，即气体密度，为研究气体密度对流量计的影响提供了条件。但是，与负压法相比，正压法有两个关键性问题需要解决：必须提供足够的实验所需气源；必须设置复杂的压力调节系统，保证气源压力稳定。

通过对正压法与负压法的比较，实验室为了研究气体密度对变化对流量计的影响，建立了一套正压法音速喷嘴标准装置，并且解决了以上提到的两个难题。

首先，为了满足实验所需气量，装置采用了两台空气压缩机和两个储气罐。其中，两台空压机可同时向储气罐打气，排气量各为3.33/minm，排气压力0.85MPa。两个储气罐，容量各为133m。两台储气罐通过一条管道相互连接，管道上装有压力表和压力变送器，可以显示并向工控计算机传送储气罐的压力P1。通过计算，当储气罐中储满压力为0.8MPa的气体时，气罐中的气体能够满足实验需求。

其次，为了满足压力调节的要求，本系统采用了两个公称通径、额定流量系数不同的自力式压力调节阀。调节阀1公称通径（DN）100mm，额定流量系数（Kvs）125，调节阀2公称通径（DN）32mm，额定流量系数（Kvs）20。

工作时，选择调节阀1和调节阀2（见图2）其中一个工作。选择原则根据气体的Kv值计算公式：

（1） 当210.5PP时

(273)4.73gmQGtKvPP （5）

（2） 当210.5PP时

1(273)2.90gQKvGtP （6）

式中：

1P——阀前压力（绝对压力）KPa，此工况即储气罐压力P1

2P——阀后压力（绝对压力）KPa，图2中调节阀后管道上的压力表P2为表压 gQ——标准状态下气体流量3mh

122mPPP KPa

12PPP KPa

G——气体比重，空气G＝1

t——气体温度oC

根据所需流量算出Kv值，与两阀的额定流量系数（Kvs）比较，一般要求阀门开度在10％～70％之间，故算出的KvKvs在0.1～0.7之间为最好，选取具有该Kvs的调节阀。

根据气罐内原始储气压力、空压机的供气能力和实验流量点，可以由公式计算出每个稳压阀在不同情况下稳压时间。图3所示为当P2在200KPa时，稳压阀2在不同流量点下，稳压时间与压力P1的关系图。

图3

2 装置系统组成

2.1 装置硬件组成

系统包括DN50、DN100两条实验管路，由五部分组成，原理如图4所示：

1、气源部分，为整个实验过程提供气源。该部

图4 气体流量检定系统原理图

分由空气压缩机2台、储气罐2台、自力式压力调节阀2台、管道上的压力表和压力变送器P1组成；

2、音速喷嘴组计量核心部分。该部分有11只标准流量计——临界流标准喷嘴、滞止容器、选择喷嘴的手动、气动阀门组件；

3、被检流量计及管路系统。该部分包括DN50、DN100两条实验管路；

4、控制气路。该系统由空压机为气源，提供装夹被检表气源和气动阀门气源并用于在标定过程控制音速喷嘴的开和关，以建立不同的流量点；

5、数据采集与处理系统。该系统以工控计算机为中心进行控制、数据采集、数据处理。

图5 音速喷嘴参数

Fig.5 Parameters of nozzles

2.2 软件操作界面

控制系统采用的是工业 PC 机，采集信号选用研华PCL数据采集与控制卡和ADAM系列通讯模块，操作界面采用工业组态软件平台进行开发。其主画面如图6所示： 图6 软件操作主画面

Fig.6 Main control picture

在主画面中，操作按钮有开始检定、中断检定、测试脉冲、文件、系统设置、检定设置、文字设置、

检定数据、检定证书等，可以实现数据的实时采集、处理和保存。

其工作基本过程为：首先由空压机将大气中的空气压缩送入高压储气罐中（储气罐压力升高到0.8MPa后，空压机将自动停机），稳压阀要正常工作，必须使储气罐内压力值达到实验所要求的压力值50KPa以上才行，当储气罐中压力满足实验所需压力时，根据实验需要选取合适的音速喷嘴组合，将需要的喷嘴的手动、气动控制阀门打开，关闭所有不需要的喷嘴的气动、手动阀门，将实验管路的所有阀门打开，使高压空气从气罐沿管路流动，在气流流动顺畅的情况下，选择并调节稳压阀使流过被校表的气体压力稳定在实验所需值附近，经稳压阀调节后高压空气进入试验管道先后流经被校表、滞止容器、音速喷嘴组、汇气管、消音器后，最终通向大气。其中，音速喷嘴组由安装在滞止容器下游的11个不同喉径音速喷嘴并联而成，图4中门口位置编号1～11的管道即为音速喷嘴所在管道，其喷嘴参数如图5所示，通过控制音速喷嘴下游的开关阀门，可以任意选择音速喷嘴的组合方式，以达到改变被校表流量的目的。滞止容器上温度变送器T1、T2、T3、压力变送器P、被检表处的温度变送器T和压力变送器P2，均与计算机通讯。

T1、T2、T3三个温度变送器的测量值取平均作为公式（2）中的T0，压力变送器P的测量值作为公式（2）中的P0，带入公式（2）可以求出流过流量计的标准质量；温度变送器T和压力变送器P2的测量值分别作为公式（3）中被检表处的温度和压力，可以计算出工作状态下空气密度，进而由（4）得到实际体积流量，再根据相同时间间隔内被检表输出脉冲的检测，可最终实现对被检表仪表系数等流量特性的研究。

4 实验装置的应用

实验分别选用了天津市新科仪表有限公司生产的LWQ-C-100型DN50气体涡轮流量计和天津市亿环公司制造的气体涡街流量计各一块，依照JJG198—1994《速度式流量计》国家计量检定规程，在几个不同工作压力条件下，分别对两块流量计进行实流实验，每个压力点下包括七个流量检定点maxq、max0.7q、max0.4q、max0.25q、max0.15q、max0.07q和minq (若前6个流量点中某流量点流量小于minq时，此流量点可以不计)。为了保证音速喷嘴在喉部达到音速，并结合稳压阀的调压范围，实验选择在绝对压力230KPa、300KPa、400KPa、500kPa四种工作压力下进行。在整个测量范围内每种压力的变化不超过1kPa，在每个流量点的每一次测量过程中，压缩空气温度变化不超过0.5℃。

表1中列出了涡轮流量计在不同压力下包括仪表系数、线性度、不确定度等参数在内的流量特性。

表1不同压力下涡轮流量计流量特性表

压力

（kPa） 仪表系数

（1/L） 线性度

（%） 重复性（%）

230 10.044 2.443 0.126