正压法音速喷嘴气体流量标准装置的研究及应用

　　1　引　言

　　气体流量受温度、压力等因素的影响,因此为不同种类气体流量计建立的标准装置种类繁多,为了研究气体密度对流量计性能的影响,设计了一套正压法音速喷嘴试验装置进行流量计的检定。

　　音速喷嘴法气体流量标准装置的气源设置有正压法和负压法两种[1, 2]。正压法装置通过改变喷嘴入口的滞止压力,改变流过喷嘴的气体质量流量,用较少的喷嘴实现较宽的流量范围,而且较高而可变的气源压力可以使其工作在正 压(气体绝对压力在0. 2MPa以上)状态下,从而气体密度高于常压装置,具有不同密度(压力)点上的试验能力,可用于研究气体密度变化对流量仪表性能的影响。

　　2　音速喷嘴装置原理

　　2.1　音速喷嘴基本原理

　　音速喷嘴的结构如图1所示,孔径最小的部分称为喷嘴的喉部。其中P0为音速喷嘴上游入口处气体滞止压力,P1为音速喷嘴的下游出口压力,两者的比值P1/P0为节流压力比[3~6]。

　　对于音速喷嘴来说,存在一个临界压力比:

　　式中:k为气体的比热容。

　　当P1/P0<(P1/P0)i时,流速将保持音速不变。此时喷嘴瞬时质量流量为:

　　空气密度计算公式为:

　　式中:ρ为空气密度(kg/m³);P_²为流量计处绝对压力(Pa);T为流量计处温度(K)。

　　将qm、ρ带入式(4)可以计算出流过流量计处的气体体积流量Q(m3/h ):

　　2.2　音速喷嘴装置构成

　　对于空气,k=1. 4,将其带入式(1)可得:

　　气源有正压和负压两种,结构如图2所示。负压法见图2(a),以大气作为气源,P0等于大气压,在喷嘴下游用真空泵造成负压以满足临界条件,根 据式(5)可知,真空泵造成的负压P1必须低于52. 8kPa,气流经被检表、音速喷嘴组、真空泵后,排入大气。以无限大大气为气源,压力稳定,但是气源压力即气体密度不可调,不能用其研究气体密度变化对流 量计的影响。

　　2.3　气源系统的研究与设计

　　气源系统采用由管道连通的两个储气罐储存气体,实验开始前用两台空压机对其充气,实验过程中气罐和空压机联合提供用气。两台空压机排气量各为3. 3m³/min,排气压力0. 8MPa;两个储气罐容量均为13m³。实验过程中应满足:

　　正压法,如图2(b),空气压缩机将空气压缩并注入储气罐,再经稳压阀稳压后,流经被检表和音速喷嘴组排入大气,P1与大气相通,由式(5)可 知,喷嘴上游压力P0应大于192 kPa。稳压阀可以对气源压力进行调整而改变气体密度,为研究气体密度对流量计的影响提供了条件。