音速噴嘴法氣體流量標準裝置的基本原理

音速噴嘴法氣體流量標準裝置的基本原理

中國計量科學研究院 王東偉

引 言 標準表法流量標準裝置的方法很多，下面介紹一種用音速文丘利噴嘴作標準表的氣體流量標準裝置。與用其它流量計作為標準表相比，用音速噴嘴作為標準表具有很多優點，如結構簡單、性能穩定、準確度高、無可動部件、維護方便、檢定周期長(五年)等等。音速噴嘴法氣體流量標準裝置適用于對各種氣體流量計的檢測和校準, 可以檢測質量流量計、速度式流量計、容積式流量計、轉子流量計、差壓式流量計或其它種類的流量計。 　 裝置結構 音速噴嘴法氣體流量標準裝置的結構如圖1所示。對于流量比較大的標準裝置，需選用水環式真空泵，因此還需冷卻塔、離心泵、地下水池、消音器。為了調整入口氣體流場和降低噪音，還應在入口處安裝喇叭形入口。被檢表的前后直管段應足夠長。此外，還應配備配電柜、計算機、夾表器、控制系統和數據采集系統。 1. 真空泵 2.儲氣罐 3. 匯流管(容器) 4.開關閥 5. 音速文丘利噴嘴 6. 滯止容器溫度計 7. 滯止容器壓力計 8.滯止容器 9.流量調節閥 10.被檢表后溫度計 11.被檢流量計 12.被檢表前壓力計 圖1 音速噴嘴法氣體流量標準裝置 檢定原理 　 如圖1所示, 用真空泵1將空氣由被檢表的上游直管段入口吸入，經過被檢表前直管段、被檢表11和被檢表下游直管段進入滯止容器8，在滯止容器的下游，有一組音速噴嘴5，控制音速噴嘴下游的開關閥門4，可以任意選擇所要開關的音速噴嘴，以達到改變被檢表流量的目的，滯止容器需要測溫6測壓7，代入公式計算可以得到通過音速噴嘴的質量流量，亦即通過被檢表處的質量流量。通過測量被檢表處的溫度10和壓力12，可以計算出空氣密度，進而得到標準體積流量。流量調節閥9一般只用于開關，也可作為調節流量的輔助手段。在進行小流量檢定時，可以不用開啟真空泵，只要儲氣罐2的真空度能夠滿足要求即可。真空泵的能力應滿足下列兩個條件：第一，真空泵所提供的流量應大于被檢流量計的最大流量；第二，在測量過程中，真空泵所提供的真空度應滿足音速噴嘴的臨界壓力比。 　 流量計算公式 1.臨界壓力比及其計算公式 當氣流處于亞音速時，喉部的氣體流速將隨節流壓力比(即出口壓力P1與上游滯止壓力P0之比)的減小而增大。當節流壓力比減小到一定值時，喉部流速達到最大流速----音速，即達到所謂的臨界流，此時，如果P0不變，再減小P1(即再減小節流壓力比)流速將保持不變，也就是說，流速不再受下游壓力的影響。此時的文丘利噴嘴稱為音速文丘利噴嘴，又稱臨界流文丘利噴嘴，此時的節流壓力比稱為臨界壓力比。 在理想條件下，即氣流是一維流動、等熵、完全氣體，則從理論上可導出臨界壓力比的計算公式： 式中，k----氣體等熵指數，對于完全氣體，k等于比熱比。 對于空氣，k=1.4，則(P1 /P0)= 0.528 2.理想條件下的質量流量 在理想條件下, 音速文丘利噴嘴的質量流量公式： 式中，qmi ---- 音速文丘利噴嘴在理想條件下的質量流量(kg/s) A* ---- 音速文丘利噴嘴的喉部面積(m2) C*i ---- 氣體在理想條件下的臨界流函數 P0 ---- 音速文丘利噴嘴前的氣體滯止絕對壓力(Pa) T0 ---- 音速文丘利噴嘴前的氣體滯止絕對溫度(K) RM ---- 氣體常數(J/(kg×K))，對于空氣，R=287.1 　 3.實際條件下的質量流量 在實際條件下, 音速文丘利噴嘴的質量流量公式： 式中， qm ---- 音速文丘利噴嘴在實際條件下的質量流量(kg/s) C*---- 氣體在實際條件下的臨界流函數，假定氣體為一維、等熵流動, 利用實際氣體的熱力學性質表，可用計算機計算出來。 C ---- 流出系數，C是對“一維、等熵流動” 等假設條件的修正。C只是雷諾數Red的函數。 式中，Red ----音速文丘利噴嘴的喉部雷諾數(無量綱) d ---- 音速文丘利噴嘴的喉部直徑(m) m0 ---- 氣體在滯止條件下的動力粘度(kg/(m×s) 從式(4)中可以看出，只要用試驗的方法求得流出系數C，就可按測得的滯止壓力P0和滯止溫度T0(由查表可得C*)計算出質量流量qm。 裝置流量范圍的選擇方法和確定 　 根據音速噴嘴的流量計算公式(式(4))可知，在臨界條件下，改變音速噴嘴的滯止壓力值，則可改變通過音速噴嘴的質量流量值。實際上，是通過調節壓力調節閥來調節流量。 同樣，也可通過改變流通面積來改變流量，即通過若干個音速文丘利噴嘴的組合，或設計時將某一個音速噴嘴的面積增大來達到所需要的流量。在設計高壓或常壓式音速噴嘴法氣體流量標準裝置時，都可以采用這種方法。 裝置流量范圍和流量點的選擇原則：第一，選擇該裝置主要檢定的流量計(如渦街流量傳感器或渦輪流量計)的流量范圍。第二，根據JJG198-1994《速度式流量計檢定規程》規定的流量檢定點, 選擇音速文丘利噴嘴的流量及數量。