柱塞式校准器检定临界流喷嘴的实验研究

　　临界流喷嘴具有良好的稳定性,常用作流量标准装置中的传递标准件,用以对其他类型的流量计进行量值传递[1].临界流喷嘴的结构和流量特性如图1[2],保持喷嘴入口处压力P0和温度T0不变,逐渐减小出口压力P2,即减小背压比,通过喷嘴的流量qm先是不断增加,当背压比小到临界压力比时,通过喷嘴的流量达到最大值qmax,若继续减小背压比,流量将保持不变.随着化工、医药、航空等领域内微小气体流量测量精度要求的提高,临界流喷嘴以其独特的优越性受到越来越多的关注[3].因此,临界流喷嘴检定和校准的准确性不仅关系到企业的经济利益,而且对经济的发展也有重要的效益[4,5].

　　目前临界流喷嘴的主要校准装置是PVTt法气体流量标准装置,其工作原理是:在某一个时间间隔t内,气体流入或流出容积为V的标准容器,根据标准容器内气体绝对压力P和热力学温度T的变化,可以求得气体质量流量[6].PVTt法装置在检定临界流喷嘴时需要长时间的压力和温度的稳定过程,因而检定效率偏低.针对上述问题,我们研制了一种新型柱塞式气体流量校准器[7,8],适用于小喉径临界流喷嘴的快速检定.

　　1　校准器的结构和原理

　　校准器流量范围为0.016~0.25 m3/h,扩展不确定度为0.05%(k=2).并与PVTt法气体流量标准装置进行了比对,采用两种标准装置得到的结果一致性良好.该校准器采用标准柱塞结构,主要由机架、电机、丝杠、柱塞、缸体和控制系统等组成,如图2.丝杆驱动柱塞向上运动,柱塞作为计量标准提供标准体积.若入口处阀门关闭,则柱塞、缸体和上盖板之间形成一个密封的工作腔.腔体顶部安装有温度、压力传感器,用来测量腔体内气体的温度和压力.控制系统由上位机和下位机组成,可控制柱塞运动速度、时间、位置,并实时记录压力、温度等参数.

　　该校准器工作时,缸体顶部设有临界流喷嘴安装口,利用气缸活塞杆将喷嘴固定.气体入口处阀门打开,开启真空泵,气体经入口处阀门流入缸体,流经被测喷嘴从真空泵回到大气.由于临界流喷嘴入口处的气压保持为大气压,而出口处气压不断减小,当临界流喷嘴前后的背压比小于临界背压比时,临界流喷嘴处于临界流状态,此时流过喷嘴的质量流量将保持最大值不变.计算机以喷嘴的名义流量为依据,控制电机以某一速度驱动丝杆旋转,带动柱塞向上运动.运动数秒后,入口处阀门关闭,控制系统开始计时,并实时记录柱塞位置、温度、压力、湿度等参数,计时完成后打开入口处阀门,计算机根据测得的参数,按照数学模型就可以求出临界流喷嘴的流出系数.检定过程中,柱塞向上运动,以柱塞的体积来置换工作腔内减少的体积,使工作腔内的压力保持不变.