小流量气体流量的测量方法及应用

　　0 引言

　　在液体火箭发动机地面性能实验中， 需准确控制气体流量， 但经常会遇到气体流量较小， 超出现有流量计量程的情况。 因此， 需研究可靠的小流量测量方法。 音速节流孔板是测量流体流量和控制流体的一种重要方法， 广泛应用于大流量气体测量， 它基于临界流量原理， 即在来流的滞止压力 p0和滞止温度 T0一定时， 流量可以达到临界流量 (最大流量)。 大多数文献介绍的孔板流量测量主要针对大流量气体， 对气体小流量的测量并不适用。 本文针对地面性能实验中小流量气体测量问题， 介绍了小流量气体流量测量装置的设计原理与设计方法。

　　1 测量原理及系统组成

　　1.1 基本原理

　　管路中气体一维定常等熵流动应满足以下假设： (1) 所有流动参数在管道的各个截面是均匀的; (2) 流动过程中流动参数的大小不随时间而改变; (3) 不考虑流动摩擦， 并且与外界绝热。 当气体通过节流孔板小孔时， 气流速度加快， 在节流孔处达到临界流， 其速度为该处的音速， 此时下游压力出现脉动， 小孔处的压力将维持不变， 气体流量保持恒定。

　　1.2 计算方法

　　在超临界状态下， 一维定常理想气体的流量按下式计算：

　　式中， m为气体质量流量; p ₀为孔板入口压力; T ₀为气体总温; A 为孔板小孔面积; R 为气体常数; C _d为流量系数; K 为空气绝热指数。

　　1.3 系统组成

　　小流量气体流量测量装置的组成见图 1。 测量段由节流孔板、 球形接头、 外套螺母、 压力传感器接头、 温度传感器接头和直管段等组成。

　　2 实验方法

　　2.1 质量流量计串连孔板测量方法

　　在实验中用质量流量计测量气体流量， 但实验室现有质量流量计下限量程为 20g/s， 为将其应用于小流量测量， 以水为介质， 在量程外对其进行了流量值标定。 结果表明： 质量流量计在1.7~20g/s 区间内精度较好 ， 可用于小流量测量 。质量流量计用于气体流量测量时， 流量测量值不稳定。 为准确测量气体小流量， 采用孔板加测压的流量测量方法。 在空气管路中布置节流孔板，实验中保证孔板处于超临界状态， 通过调节上游的总压控制空气流量。 假设实验中需模拟 0.6MPa的背压， 为保证孔板始终处于超临界状态， 要求p ₀大于 1.5MPa; 根据超临界状态下流量公式 (1)计算得： 孔板的直径 d=0.753mm， 空气的流量和来流总压见表 1。

　　图 2 为实验系统图。 空气由高压气源提供并经减压器后产生 3MPa 左右空气。 减压器下游布置截止阀， 调节来流总压。 截止阀下游布置质量流量计， 孔板上游布置压力传感器和温度传感器， 分别测量入口压力 p0和入口温度 T0。 孔板下游布置压力传感器监测背压， 保证实验中孔板始终处于超临界状态。 管路出口布置截止阀调节背压。 压力、 温度传感器和质量流量计与数采系统相连， 采样时间 5s， 采样率 10Hz。