临界流文丘里喷嘴法检定　气体流量计的应用与研究　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｃｒｉｔｉｃａｌ　Ｆｌｏｗ　Ｖｅｎｔｕｒｉ　Ｎｏｚｚｌｅｓ　ｉｎ　Ｍｅｔｅｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｇａｓ　Ｆｌｏｗ　Ｍｅｔｅｒ　新疆独山子石化公司计量检测中心（新疆独山子８３３６００）赵立张明理许新淮　［摘要］本文介绍了应用临界流文丘里喷嘴建立气体流量检定标准的研制过程，提出了采用负压式建　立起临界流的系统，分析了原理、系统构成、自动控制、软件功能以及对装置重复性、准确性的验证，阐述　了对分流旋翼式蒸汽流量计检定的处理。　【关键词】临界流喷嘴气体流量计检定蒸汽流量计　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｅｒｉｎｇ　ｏｆｇａｓ　ｆｌｏｗ　ｍｅｔｅｒ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆｃｒｉｔｉｃａｌ　ｆｌｏｗ　ｖｅｎ—　ｔｕｆｆ　ｎｏｚｚｌｅｓ，ｓｅｔ　ｕｐ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｆｌｏｗ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂｙ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｆｌｏｗ　ｖｅｎｔｕｒｅ　ｎｏｚｚｌｅｓ　ａｎｄ　ｕｓｉｎｇ　ｉｔ　ａｓ　ｓｔａｎｄａｄ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｓｔｅａｍ　ｆｌｏｗ　ｍｅｔｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｆｌｏｗ　ｖｅｎｔｕｒｉ　ｎｏｚｚｌｅｓ　Ｇａｓ　ｆｌｏｗ　ｍｅｔｅｒ　Ｍｅｔｅｒｉｎｇ　Ｓｔｅａｍ　ｆｌｏｗ　ｍｅｔｅｒ　

１　项目的提出　面对国内外能源危机的挑战，能源计量的准确性　日益突出，气体流量计量也愈加受到重视，因此气体　流量仪表的使用也越来越广泛，尤其是在计量法中将　气体流量计、蒸汽流量计均列入强制检定范围。所以　气体流量的量值传递工作也摆在了许多单位的面前。　在我公司范围内需要计量的气（汽）体介质有瓦　斯、蒸汽、乙烯、甲烷、氢气、风、氮气、二氧化碳　等，使用的流量仪表有涡街、涡轮、孔板、气体质量　流量计、分流旋翼式蒸汽流量计、转子流量计（包括　化验分析使用的小型玻璃转子流量计）等，这些气体　流量计有用作工艺监控、化验分析，以及厂际问、车　间之间物料、能耗交接用。　多年来从未进行过检定，准确性很难保证。既影　响工艺参数的有效监控、产品质量分析，也影响能源　《中国仪器仪表》２００２．６　及物料的交接，尤其是近年来厂际问瓦斯、蒸汽的计　量，虽装有流量计，但因没有同一标准进行检定，供　需双方各执异词，多次出现交接过程中的计量纠纷，最　终只能靠行政解决。为此，我们开始着手气体流量计　检定装置的工作。　目前，国内开展气体流量标定装置主要有钟罩法、　ＰＶＴｔ法、高精度容积式流量计为标准表的比较法、音　速文丘里喷嘴法。其中钟罩法、ＰＶＴｔ法价格昂贵、结　构复杂，多用于研究机构，高精度进口容积式流量计　价格昂贵而且精度易发生变化，不容易维护。而音速　喷嘴法结构简单可靠，无可动部件，在制造检查方面　没有过多困难，流出系数可以根据实际的外形尺寸来　实测，能够准确地调节和控制流量。　６ｏ年代末，西方先进工业国家就将音速喷嘴用于　高压、大流量的测试，事实证明音速喷嘴确实是一种　轻便可靠、精度很高的次级标准，受到越来越多的国　

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维普资讯 http://www.cqvip.com 家的推广应用，国际标准化组织ＩＳ０９３００在１９９０年８　月正式批准为国际标准。　我国从８０年代以来，许多单位就开展了音速喷嘴　的研究，并在一些部门得到了成功的应用，目前，从　理论到实际都已成熟。　音速喷嘴检定装置有正压检定和负压检定之分，正　压检定设备投资费用比负压检定要高４￣６倍，因为大　气中含有一定量的水蒸气经空压机压缩后，容易变成　饱和汽介质出现两相流，这种气体无法满足气体流量　计的检定要求，必须在压缩机后加除湿、干燥措施，空　压机排出的气体是半波振动，又要采取一系列的稳压　措施。负压检定（接近常压）投资少，能耗低，使用　无限场大气作气源，气体经过喷嘴及被检表，状态没　有经过剧变（压缩），大气湿度可以测知，通过软件进　行修正。由此我们确定了采用负压式音速喷嘴法开展　气表的检定工作。　

２音速喷嘴的基本原理　基本原理如图１所示。　

图１临界流文丘里喷嘴，下意图　Ｉ　界流文丘里喷嘴是个孔径逐渐减小的流道，孔　径最小的部分称为喷嘴的喉部，在喉部的后面有孔径　逐渐扩大的流道，因此称为Ｉ　界流文丘里喷嘴。对于　亚音速喷嘴（喉部流速低于音速），其流量不仅与上游　压力有关，而且与下游压力有关；流出系数不仅与雷　诺数有关，还与马赫数有关，因此提高它的准确度目　前来说还是很困难的。而Ｉ临界流文丘里喷嘴，因为喉　部气流速度达到Ｉ　界流速度一音速，马赫数等于１，所　以流量只与上游压力有关，而与下游压力无关；流出　系数只与雷诺数有关，因此准确度可以达到０．２％。　当气体通过音速喷嘴时，喉部的气体流速将随着　节流压力比（即喉部压力Ｐ　与上游滞止压力Ｐｎ之比）　减小而增大。当节流压力比等于０．５２８时，喉部流速达　

到最大值一音速，就达到了临界流。此时若喷嘴进口　压力Ｐ。不变再减小Ｐ　，既减小节流压力比其喉部流速　将保持不变，所以流速不再受下游压力的影响，此时　的节流压力比即为Ｉ　界压力比。一种口径的喷嘴只有　个Ｉ靥界流量值，喷嘴人口的滞止压力和滞止温度不　变时，通过喷嘴的质量流量也不变，这个特性作为标　定气体流量计的基础。　参照ＩＳ０９３００临界流文丘里喷嘴测量气体流量给　出下列流量方程作为本系统的数学模型：　ｑｍ＝ＡＣＣ　Ｐ　厂　式中：　ｑ　为喷嘴流量（质量流量ｋｇ／ｓ）；　Ａ为喷嘴喉部截面积（Ｉ１ｑ　）：　ｃ为流出系数；　ｃ　为实际气体临界流函数；　Ｐ。为喷嘴人口处气体绝对滞止压力（Ｐａ）；　Ｔ。为喷嘴人口处气体绝对滞止温度（Ｋ）；　Ｒ为通用气体常数（Ｊ．ｋｍｏｌ～·Ｋ　）　Ｍ为摩尔质量（ｋｇ／ｋｍｏｌ　ｏ　从公式中可以看出，ｑ　仅与人Ｅｌ处滞止压力和滞　止温度有关而不受下游状态的影响。　

３检定装置结构及技术指标　经过论证我们采用由中国计量科学院设计的ＱＬＢ　Ⅱ型ＩＩ缶界流文丘里气体流量标准装置，依据ＩＳ０９３００　的标准选用Ｉ　界流文丘里喷嘴作为气体流量传递标准，　采用标准流量计比较法原理进行流量计检定及测试。　技术指标：　（１）压力：采用负压法；　（２）流量范围：５￣４０００ｍ　／ｈ：　（３）可检流量计：　５０一　２ｏ０的速度式、容积式等　各类气体流量计；　（４）检定介质：空气；　（５）Ｉ　界流文丘里喷嘴流出系数的不确定度：０．２％；　（６）装置总不确定度：０．５％。　根据技术指标中的压力和流量范围共设计了１　１个　喷嘴，采用并联组合方式，通过计算组合，可以满足　流量计从　５０一　２００的流量范围内各流量点的检定要　

《中国仪器仪表》２００２．６　

维普资讯 http://www.cqvip.com 求。喷嘴加工好后，其流出系数由中国计量科学院在　国家气体基准装置一ＰＶＴｆ上进行实验测得。　表ｌ列出喷嘴的相关数据。　

表１　

喷嘴的安装有两种方式，一种是喷嘴上游管道为　圆形截面，一种是上游是大空间。我们这套装置选择　了喷嘴上游是大空间的安装方式，即将喷嘴安装在滞　止容器上。　

序号　１　２　３　４　５　６　７　８　９　１Ｏ　１１　喷嘴喉径（ｍｍ：　５５．８１１　４５．４９８　４０．７５　２８．８０５　２０４４２　１４．４２　９．１２Ｏ４　７．９Ｏ３９　４５．１７５　４．Ｏ９２５　３．２９ｏ４　流出系数　０．９９２６　Ｏ．９９２Ｏ　０．９９６０　０．９９０１　０．９８６３　０．９８６８　０．９８０５　０．９８３５　０．９８８３　０．９７７８　０．９５８６　

流出系数的　准确性（％）　Ｏ．２Ｏ　Ｏ．２Ｏ　Ｏ．２０　Ｏ．１５　０．１５　Ｏ．１Ｏ　０．１５　０．１５　Ｏ．１Ｏ　Ｏ．１５　０．１０　

检定装置结构示意图如图２所示。　

厂＝１　厂、　＼．　．，，　，＿、　ｒ＿１　＼＿／　

ｒ＿１　，＿、　ｒ一＿１　滞　Ｖ　

ｒ１　止　ｒ］　

［］　容　，．、　Ｖ　

ｒ１　器　

门　／－、　Ｖ　＿－１　—　门　

广一１贸　、：　，　门　厂、　

Ｖ　

图２结构示意图　在系统结构中，主要组成部件有：水环真空泵、滞　止容器、临界流文丘里喷嘴组、压力变送器、温度变　送器、压力表、微机部分、被检表实验管道、各类阀　门等。　工作过程中，用水环真空泵将大气中的空气吸人　实验管段中，气流通过被检流量计进入到滞止容器经　临界流喷嘴进入缓冲罐，通过水环真空泵最后经消音　器流回到大气。根据被检流量计的流量，选择数个临　界流文丘里喷嘴。该数个喷嘴管路并联组合，可以满　足被检流量计的流量调节需要，调节稳定的流量送到　被检流量计。测量记录喷嘴前的滞止压力及滞止温度使其达到稳定临界流量，同时测量记录被检流量计的　流量及被检流量计前的压力温度信号，将信号输入到　计算机并进行处理，则得到被检流量计的检定结果

《中国仪器仪表》２００２．６　

ＩＳＯ９３００中规定喷嘴上游是大空间　的含义是说在距喷嘴中心线及人口平面　５ｄ以内无器壁，则可以称喷嘴上游是大　空间。因此设计了一个长约３ｍ，直径　约０．５ｍ的大容器。满足每个喷嘴上游　大空间的要求。　温度、压力的测量点均符合ＪＪＧ６２０—９４的　规定，人口温度、滞止容器温度的测量采用精　度为０．１级铂电阻，经温度变送器将信号输入　到微机，实验管段压力测量、滞止容器（上游）　压力测量采用精度为０．Ｏ５级的１　１５１ＧＰ压力变　送器，信号送到计算机。为保证维持临界流状　态，一般应测量下游压力，采用精度为０．２级　精密压力表，用上下游压力值来判定临界流状　态　

４数据采集及控制系统　该部分由现场变送器、计算机采集系统、　图象采集、控制机柜等组成。计算机数据采集　系统由一台研华ＰＩＩ工业控制机，一台打印机，　光电隔离Ａ／Ｄ卡３块，频率输入卡２块，开关　量Ｉ／Ｏ卡２块，高分辨率图象卡ｌ块，通过信号调理模　块及端子与现场总线连接。　采用ＷＩＮ９８操作系统，系统运行及数据处理的软　件平台采用专用工控组态软件ＦＩＸ６．１　５，它是利用ｉ一　。ｒｅ　技术的组态软件。首先应用ＦＩＸ软件对本系统的Ｉ／Ｏ设　备通讯进行组态，由ＦＩＸ建立数据库组一工厂实时数据　库，应用ＦＩＸ－Ｄｒａｗ建立相关图形组一系统检定流程图由ＦＩＸ工具盒中的工具将数据与图形相连接。所采用　的硬件设备是高级ＡＤＡＭ串行数据采集系列模块它　

提供了与ＦＩＸ的通讯接口和相关协议，通讯方式采用　

ＤＬＬ，采样速度更快捷。对于无远传信号的指针式或数　码显示的被检流量仪表，采用电脑多媒体技术用一　

台ＣＣＤ摄象机将表盘指示值摄人，通过高分辨率图象　

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