音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的基本原理

音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的基本原理

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 王東偉

引 言 標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的方法很多，下面介紹一種用音速文丘利噴嘴作標(biāo)準(zhǔn)表的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。與用其它流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表相比，用音速噴嘴作為標(biāo)準(zhǔn)表具有很多優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高、無可動(dòng)部件、維護(hù)方便、檢定周期長(zhǎng)(五年)等等。音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置適用于對(duì)各種氣體流量計(jì)的檢測(cè)和校準(zhǔn), 可以檢測(cè)質(zhì)量流量計(jì)、速度式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、差壓式流量計(jì)或其它種類的流量計(jì)。 　 裝置結(jié)構(gòu) 音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)于流量比較大的標(biāo)準(zhǔn)裝置，需選用水環(huán)式真空泵，因此還需冷卻塔、離心泵、地下水池、消音器。為了調(diào)整入口氣體流場(chǎng)和降低噪音，還應(yīng)在入口處安裝喇叭形入口。被檢表的前后直管段應(yīng)足夠長(zhǎng)。此外，還應(yīng)配備配電柜、計(jì)算機(jī)、夾表器、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 1. 真空泵 2.儲(chǔ)氣罐 3. 匯流管(容器) 4.開關(guān)閥 5. 音速文丘利噴嘴 6. 滯止容器溫度計(jì) 7. 滯止容器壓力計(jì) 8.滯止容器 9.流量調(diào)節(jié)閥 10.被檢表后溫度計(jì) 11.被檢流量計(jì) 12.被檢表前壓力計(jì) 圖1 音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置 檢定原理 　 如圖1所示, 用真空泵1將空氣由被檢表的上游直管段入口吸入，經(jīng)過被檢表前直管段、被檢表11和被檢表下游直管段進(jìn)入滯止容器8，在滯止容器的下游，有一組音速噴嘴5，控制音速噴嘴下游的開關(guān)閥門4，可以任意選擇所要開關(guān)的音速噴嘴，以達(dá)到改變被檢表流量的目的，滯止容器需要測(cè)溫6測(cè)壓7，代入公式計(jì)算可以得到通過音速噴嘴的質(zhì)量流量，亦即通過被檢表處的質(zhì)量流量。通過測(cè)量被檢表處的溫度10和壓力12，可以計(jì)算出空氣密度，進(jìn)而得到標(biāo)準(zhǔn)體積流量。流量調(diào)節(jié)閥9一般只用于開關(guān)，也可作為調(diào)節(jié)流量的輔助手段。在進(jìn)行小流量檢定時(shí)，可以不用開啟真空泵，只要儲(chǔ)氣罐2的真空度能夠滿足要求即可。真空泵的能力應(yīng)滿足下列兩個(gè)條件：第一，真空泵所提供的流量應(yīng)大于被檢流量計(jì)的最大流量；第二，在測(cè)量過程中，真空泵所提供的真空度應(yīng)滿足音速噴嘴的臨界壓力比。 　 流量計(jì)算公式 1.臨界壓力比及其計(jì)算公式 當(dāng)氣流處于亞音速時(shí)，喉部的氣體流速將隨節(jié)流壓力比(即出口壓力P1與上游滯止壓力P0之比)的減小而增大。當(dāng)節(jié)流壓力比減小到一定值時(shí)，喉部流速達(dá)到最大流速----音速，即達(dá)到所謂的臨界流，此時(shí)，如果P0不變，再減小P1(即再減小節(jié)流壓力比)流速將保持不變，也就是說，流速不再受下游壓力的影響。此時(shí)的文丘利噴嘴稱為音速文丘利噴嘴，又稱臨界流文丘利噴嘴，此時(shí)的節(jié)流壓力比稱為臨界壓力比。 在理想條件下，即氣流是一維流動(dòng)、等熵、完全氣體，則從理論上可導(dǎo)出臨界壓力比的計(jì)算公式： 式中，k----氣體等熵指數(shù)，對(duì)于完全氣體，k等于比熱比。 對(duì)于空氣，k=1.4，則(P1 /P0)= 0.528 2.理想條件下的質(zhì)量流量 在理想條件下, 音速文丘利噴嘴的質(zhì)量流量公式： 式中，qmi ---- 音速文丘利噴嘴在理想條件下的質(zhì)量流量(kg/s) A* ---- 音速文丘利噴嘴的喉部面積(m2) C*i ---- 氣體在理想條件下的臨界流函數(shù) P0 ---- 音速文丘利噴嘴前的氣體滯止絕對(duì)壓力(Pa) T0 ---- 音速文丘利噴嘴前的氣體滯止絕對(duì)溫度(K) RM ---- 氣體常數(shù)(J/(kg×K))，對(duì)于空氣，R=287.1 　 3.實(shí)際條件下的質(zhì)量流量 在實(shí)際條件下, 音速文丘利噴嘴的質(zhì)量流量公式： 式中， qm ---- 音速文丘利噴嘴在實(shí)際條件下的質(zhì)量流量(kg/s) C*---- 氣體在實(shí)際條件下的臨界流函數(shù)，假定氣體為一維、等熵流動(dòng), 利用實(shí)際氣體的熱力學(xué)性質(zhì)表，可用計(jì)算機(jī)計(jì)算出來。 C ---- 流出系數(shù)，C是對(duì)“一維、等熵流動(dòng)” 等假設(shè)條件的修正。C只是雷諾數(shù)Red的函數(shù)。 式中，Red ----音速文丘利噴嘴的喉部雷諾數(shù)(無量綱) d ---- 音速文丘利噴嘴的喉部直徑(m) m0 ---- 氣體在滯止條件下的動(dòng)力粘度(kg/(m×s) 從式(4)中可以看出，只要用試驗(yàn)的方法求得流出系數(shù)C，就可按測(cè)得的滯止壓力P0和滯止溫度T0(由查表可得C*)計(jì)算出質(zhì)量流量qm。 裝置流量范圍的選擇方法和確定 　 根據(jù)音速噴嘴的流量計(jì)算公式(式(4))可知，在臨界條件下，改變音速噴嘴的滯止壓力值，則可改變通過音速噴嘴的質(zhì)量流量值。實(shí)際上，是通過調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)流量。 同樣，也可通過改變流通面積來改變流量，即通過若干個(gè)音速文丘利噴嘴的組合，或設(shè)計(jì)時(shí)將某一個(gè)音速噴嘴的面積增大來達(dá)到所需要的流量。在設(shè)計(jì)高壓或常壓式音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置時(shí)，都可以采用這種方法。 裝置流量范圍和流量點(diǎn)的選擇原則：第一，選擇該裝置主要檢定的流量計(jì)(如渦街流量傳感器或渦輪流量計(jì))的流量范圍。第二，根據(jù)JJG198-1994《速度式流量計(jì)檢定規(guī)程》規(guī)定的流量檢定點(diǎn), 選擇音速文丘利噴嘴的流量及數(shù)量。