基于体积管标准装置的小流量临界流文丘里喷嘴检定方法研究

　　1、引言

　　临界流文丘里喷嘴主要应用于流量标准的传递、气体流量测量和流量系统最大流量的限制,最早应用于航空工业中,但由于其具有结构简单、性能稳定、准确度高、检定周期长、无可动部件、容易维护、即可以独立使用也可以并联使用等优点,现在被广泛用于在汽车,能源及计量等不同行业^[1]。近年来在燃气表检定应用中小流量临界流文丘里喷嘴也得到各技术机构和生产厂家的广泛认可和推广^[2]。

　　目前行业内对临界流文丘里喷嘴的检定主要有实流检定法和几何检定法。但对于小流量文丘里喷嘴,由于雷诺数小于2.5×10⁴,因此不适合用几何检定法(对喉径50 mm以上无法进行实流检定的喷嘴可实施几何检定法检定)^[2]。而实流检定法主要有pVTt法^[3]、mt法、钟罩检定法。但由于pVTt法结构复杂、成本较高^[4-5],mt法不适合小流量文丘里喷嘴检定,钟罩法对小流量控制精度较低,因此本文设计了一种利用主动活塞式体积管检定小流量文丘里喷嘴的新方法。

　　2、数学模型

　　JJG 620-2008《临界流文丘里喷嘴》检定规程中理想临界流质量流量计算公式:

　　式中:q_mi为喷嘴理想临界流量;A_nt为喷嘴的喉部面积;C为流出系数;C_*为临界流函数;p₀为喷嘴前的气体滞止绝对压力;T₀为喷嘴前的气体滞止绝对温度;R为通用气体常数;M为摩尔质量。体积管质量流量计算公式:

　　式中:q_m为标准装置的质量流量;V_s为标准装置排出的气体体积量;ρ工为工作状态下空气密度;t为检测时间。空气密度换算公式:

　　式中:ρ工为工作状态下空气密度;ρ标为标准状态下空气密度;p工为工作状态下气体绝对压力;T标为标准状态下气体绝对温度;p标为标准状态下气体绝对压力;T工为工作状态下气体绝对温度。流出系数计算公式:

　　式中:C_d'为流出系数;q_m为通过喷嘴气体的流量;q_mi为相同滞止条件下气体一维、等熵地流过喷嘴的理想流量。

　　3、装置结构

　　装置以现有的0.05级主动活塞式体积管作为标准气源,用304不锈钢材料加工的带滞止容器的喷嘴夹持装置,用真空泵营造临界压力,并安装高精度的差压、绝压、温度变送器。控制系统由上位机工控机平台和下位机PLC系统组成。装置结构,如图1所示。

　　主动活塞式体积管:准确度等级0.05级,气缸有效容积100 L,流量范围0.01~10 m³/h工作压力(0~10)kPa;水环真空泵:1.38m³/min,功率2.35kW;差压变送器:允差±0.075%Fs,测压范围0~10 kPa;绝压变送器:允差±0.075%Fs,测温范围0~120 kPa(abs);温度变送器:允差±0.2℃,测温范围(0~50)℃。