音速喷嘴法气体流量计自动检定系统的设计与实现

　　0 引言

　　面对国内外能源危机的挑战，气体流量计量受到人们越来越多的重视，气体流量仪表的使用也愈加广泛，故发展气体流量仪表已成为我国流量计量仪表发展的重点。为保证气体流量仪表的质量和使用时的准确度，计量法将气体流量计、蒸汽流量计均列入强制检定范围。因此，气体流量计在出厂或使用前，必须在标准装置上对其标称的计量性能进行测试或检定[1 -2]。

　　采用音速喷嘴法的气体流量标准装置，以其结构简单、性能稳定、准确度高和维护方便等特点，在气体流量计检定和校准中得到广泛的应用[3]。自 20 世纪70 年代以来，国内外许多单位开展了对音速喷嘴的研究，并在一些部门取得成功应用; 同时，基于音速喷嘴的气体流量计检定装置不断应用于实践生产中，使得音速喷嘴渐渐成为人们关注的重点[4 -5]。目前，音速喷嘴法气体流量标准装置已成为开展气体流量计量的主流标准装置，全国范围内已拥有大量采用音速喷嘴法的标准装置[6 -7]。

　　基于音速喷嘴的标准装置有正压法和负压法之分。负压法直接用大气作为气源，虽然检定流量范围受到限制，但具有气体流量稳定、投资少、能耗低的优点，因而得到普遍的应用[8]。因此，我们确定采用负压法设计基于音速喷嘴的气体流量计自动检定系统。

　　1 系统工作原理

　　1. 1 音速喷嘴的工作原理

　　音速喷嘴结构如图 1 所示。

　　图 1 中，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。其中，P1为音速喷嘴的下游出口背压，P0为音速喷嘴的上游入口滞止压力，两者的比值 P1/ P0为节流压力比 β。

　　空气动力学理论表明[9]，保持喷嘴上游的滞止压力不变，不断降低喷嘴的出口背压，开始时喷嘴流量不断增加，但当喷嘴出口背压降到某一值时，喷嘴喉部流速达到音速，通过喷嘴的流量将达到最大，进一步降低出口背压将不能使喷嘴的流量增加，此时的状态称为临界流状态。通过喷嘴的流量刚刚达到最大时，喷嘴出口背压称为临界背压，它与滞止压力之比称为临界背压比。只有在节流压力比 β 低于临界背压比时，通过喷嘴的流量才能保持稳定。

　　1. 2 标准装置的工作原理

　　标准装置由音速喷嘴容器装置系统、真空负压站、数据采集及工控机控制系统组成。装置采用国际标准ISO 9300 中的音速喷嘴作为标准表，工作方式为吸气式、负压标定，直接以大气作为气源。检定装置结构如图 2 所示。

　　各检定管道上装有温度、压力变送器，用于采集流量计处的温度和压力信号。滞止容器里装有采集喷嘴滞止温度、压力信号的温度变速器和压力变送器。汇合容器内装有采集喷嘴背压的压力变送器。真空负压站使喷嘴工作在临界流状态下。根据连续性原理，通过被检流量计的气体质量流量一定等于通过喷嘴的气体质量流量。工控机控制数据采集系统进行数据采集，由喷嘴滞止温度、压力得到质量流量，再由环境温度、大气压力、流量计处温度压力算出气体在流量计处密度，从而得到气体在流量计处的实际体积流量，即标准体积流量，然后和流量计测得的流量进行对比，根据检定规则得出检定结果。