临界流喷嘴气体流量标准装置中喷嘴计量段的设计

　　一、装置的组成

　　临界流喷嘴气体流量标准装置( 以下简称“装置”)主要由气源系统、喷嘴计量段、被检表检定段及微机控制采集系统等组成。如图1所示, 其工艺流程为: 通过气源系统的空气压缩机组(或真空泵组)结合稳压容器(或缓冲容器)以及大气, 作为装置的稳定气源。在计算机上按照检定流量计的需要, 通过操作喷嘴开关阀门, 实现喷嘴组合流量的选择与切换。在临界流文丘里喷嘴进入临界流状态后, 等待系统进入稳定状态(指系统的压力、温度、流量以及被检流量计输出趋于平稳)。待系统稳定后, 计算机检定系统再对装置检定过程的具体参数( 温度、压力及被检流量计的输出等) 进行采集、处理、运算及整理打印, 完成对流量计的检定操作。

　　二、喷嘴计量段的基本原理与设计

　　喷嘴计量段主要包括临界流文丘里喷嘴组、滞止容器、出口容器、温度和压力变送器以及阀门组等。临界流文丘里喷嘴组是将一系列喷嘴并联, 通过不同喷嘴的组合达到改变流量目的的单元; 滞止容器是为喷嘴提供气体滞止状态的容器; 出口容器是将流过喷嘴的气体汇流通往后端的容器; 温度和压力变送器是用于获得喷嘴工作状态的变送单元; 阀门组是与喷嘴一一对应, 用于控制喷嘴开启或关闭的阀门。

　　1.临界流文丘里喷嘴工作原理

　　临界流文丘里喷嘴(以下简称“喷嘴”)的结构如图2所示, 其中d为喷嘴喉部直径; D为喷嘴入口直径; R为喷嘴收缩段曲率半径; L为喷嘴扩张段长度; θ为喷嘴扩张段张角。这些都是确定喷嘴几何形状的主要指标。喷嘴的工作特性是: 当喷嘴工作的背压比低于最大允许背压比( 满足喷嘴进入临界流状态, 出口压力与入口压力比值的最大值) 后, 流过喷嘴的气流进入临界流状态(完全气体的一维、等熵流动)。通过喷嘴的质量流量只与其入口的流体压力和温度有关, 而与其出口压力的波动无关。其流量运算公式如下：

　　式中: qm———流过喷嘴的质量流量; A*———喷嘴的喉部面积; C———喷嘴的流出系数; C*———一维真实气体流动的临界流函数; P———喷嘴喉部的滞止压力 ( 绝对压 力 ); R———通 用 气 体 常 数 ; M———气 体 摩 尔 质 量 ;T———喷嘴喉部的滞止温度(热力学温标)。其中, R、M对于单向一维气体为常数; 而A*在喷嘴加工完成后即为固定数值, 单独对应某一喷嘴可以作为常数分析; P、T分别为在等熵过程中气流起始速度趋近于 0 时, 喷嘴喉部的压力与温度。当喷嘴的入口直径D与喷嘴喉部直径d满足D=2.5d±0.1d的关系时, 喷嘴入口的压力和温度可以替代喷嘴喉部的压力和温度。通过安装于滞止容器处的绝压变送器和温度变送器实测便可获得; C*是一个无因次函数, 它表征了一个在入口和喉部之间的等熵一维流动的热力学特性。它是气体性质和滞止状态的函数。以前编制检定软件时, 它是通过查表方式(按喷嘴的压力和温度)计算获得的。现在国际上已经有比较成熟的计算公式, 可以通过计算直接获得; C是实际流量与理论流量之比。理论流量是指在相同的上游滞止状态下, 一维等熵流动获得的流量。这个系数可修正黏性和流场弯曲的影响。对于按照JJG620- 1994《临界流流量计》检定规程设计安装的喷嘴, 它仅是喉部雷诺数的函数, 同时也是喷嘴进行实流检定的参数。喷嘴需要在国家原始标准上用PVTt法进行实流检定。检定获得该系数的不确定度可优于0.2%。