浅析音速喷嘴气体流量标准装置的误差

由于音速艾丘利喷嘴具有结构简略、体积小、功用安稳、重复性好、精度高档长处，被作为气体流量传递标准，在国内外得到广泛的运用。下面主要以常压法为例分析其作业原理和过失来历。

 

1 音速文丘利喷嘴气体标准设备的作业原理

 

常压法音速文丘利喷嘴气体标准设备如图1所示。用8只不同标准的标准喷嘴并联，有3种管径法兰联接被校仪器，通过电磁阀根据流量大小选定不同的喷嘴组合，可发作255种不同流量。

1—板式过滤器；2—被校表；3—电磁阀控制的气动球阀；4—滞止容器；5—音速喷嘴；6—电磁阀控制的气动球阀；7—调集容器；8—真空泵；9—循环水线；10—吸气管及消音器；Pi—压力变送器；Ti—一体化温度变送器
图1音速文丘利喷嘴气体标准设备
作业进程：翻开压缩机和真空泵，操作者输人所需参数，核算机根据设定流量大小自动翻开相应的喷嘴开关，等候流量安稳(p5/p10.8)今后，核算机通过数据搜集卡守时搜集温度和压力等模拟信号和脉冲量，核算出流过被校表的质量流量和作业情况及标准情况下体积流量、被校表检测的流量值，二者比较可得出被校表的流量系数、线性过失、重复性过失和准确度。其间音速文丘利喷嘴的结构形状如图2所示。

 

图2 音速文丘里喷嘴原理图
当p p0小于或等于临界压比时(由于p不容易检测，一般用压力比pS/p0判别)，气体通过喷嘴最小截面处(喉部)的流速抵达当地音速，而且始终保持此速度不变，即马赫数等于l。所以其流量只与上游压力有关而与下贱压力无关，流出系数只与雷诺数有关，因而就可以抵达很高的检测准确度。此时，用音速文丘利喷嘴检测的气体质量流量为

 

式中：qm为音速喷嘴在实践条件下的质量流量；A为音速喷嘴喉部的内截面积；p0为音速喷嘴进口的气体滞止必定压力；T0为音速喷嘴进口的气体滞止必定温度；C’为实践气体的临界流函数，由滞止条件（p0，T0）查表得到；C为流出系数，是对“一维、等熵活动”这种假定的修改；M为实践气体的摩尔质量。 2 过失分析

 

根据式（1），整个设备的不确定度为

 

2·1流出系数C

 

流出系数，是对"一维、等熵活动"这种假定的修改。试验标明，C只是雷诺数Red的函数，lSO9300给出的流出系数阅历公式[2]为

 

式中：Red为音速喷嘴喉部雷诺数；d为音速喷嘴喉部内径；μ0为气体在滞止条件下的动力粘度；a，b，n的数值按不同种类的文丘利喷嘴和雷诺数规划而不同。

 

式(3)是根据一些试验资料拟合而成的，按此公式求出的流出系统的相对过失为±0.5%。如用PVTt法气体标准设备实标，其相对过失可≤±0.2%。

 

在本设备中，我们选用PVTt法气体标准设备实标,Ec=±0.2%。

 

2·2临界流函数C'

 

实践气体的临界流函数不但与滞止压力、温度有关而且与气体组份有关。由于在常温、常压附近，临界流函数改动很小，一般用一常数标明。

 

当用音速文丘利喷嘴标定各种流量仪器时，为了节省设备出资和工作费用，目前国内一般均运用湿空气作为试验介质，而临界流函数C'仍按干空气核算，当空气湿度较大时，会带来较大的过失。在本设备中，Ec≤±0.2%。

 

2 · 3摩尔质量M

 

由于运用湿空气作为试验介质，但核算时却一般按干空气的摩尔质量核算。湿空气是干空气和水蒸汽的混合物，一般大气中水蒸汽的摩尔成分很小，湿空气和干空气的摩尔质量相差很小。当空气湿度较大时，会带来较大的过失，这时，在核算进程中一般需求对空气湿度的影响进行修改。

 

在本设备中，由于在运用进程中，空气湿度较小，因而没对此作修改，由此带来的过失很小，在这里忽略不计。

 

2 · 4喷嘴喉部内截面积A

 

根据临界流流量计检定规程[4]，Ed≤±0.1%，所以EA=±2Ed≤±0。2%。

 

2·5滞止必定压力p0

 

我们假定了气体在文丘里喷嘴进口处是处于滞止情况，即气体流速以等熵进程降为零时的情况。此时，进口处流速趋于零，相当于进口截面积比较于喉部截面积趋于无穷大，即直径比 β趋于零，此时的温度、压力分别称为滞止温度、滞止压力。当 β不可小时，就需求由测得的活动情况参数算出滞止情况参数。

 

在ISO9300中，给出了实测压力与滞止压力的联络[2]：

 

式中：p0为喷嘴滞止必定压力；p1为喷嘴进口实测必定压力；k为等熵指数，关于理想气体，k等于比热比；Ma1为文丘里喷嘴进口处的马赫数。

 

根据文献[1]，当 β≤0.5时，式(5)可近似标明为

 

关于空气，k=1.4。

 

在本设备中，β =0.2，我们用实测必定压力(图1中滞止容器的压力p1)直接代替了喷嘴滞止压力，由此所带来的过失E1可用式(6)核算:

 

一般实测必定压力的检测可以选用两种方法：

 

第一种方法：差压变送器+大气压力计+A/D，差压变送器的高压室直接通大气，低压室用于检测滞止容器的压力，这样测得的压力实践上是真空度，要想得到必定压力，必须用大气压力计测得大气压，必定压力=大气压－真空度。所以选用这种方法的过失E2应包括必定压力变送器的过失E21、大气压力计的过失E22和A/D数据搜集卡的过失E23：

 

第二种方法：必定压力变送器+A/D，直接用必定压力变送器检测滞止容器的必定压力。所以选用这种方法的过失E2包括必定压力变送器的过失E24和A/D数据搜集卡的过失E23：

 

在本设备中，选用了第二种方法，其间必定压力变送器的量程为0～0.12MPa，精度为±0.2%，选用台湾研华的12位A/D数据搜集卡，精度为±0.015%，所以 2 过失分析

 

根据式（1），整个设备的不确定度为

 

2·1流出系数C

 

流出系数，是对"一维、等熵活动"这种假定的修改。试验标明，C只是雷诺数Red的函数，lSO9300给出的流出系数阅历公式[2]为

 

式中：Red为音速喷嘴喉部雷诺数；d为音速喷嘴喉部内径；μ0为气体在滞止条件下的动力粘度；a，b，n的数值按不同种类的文丘利喷嘴和雷诺数规划而不同。

 

式(3)是根据一些试验资料拟合而成的，按此公式求出的流出系统的相对过失为±0.5%。如用PVTt法气体标准设备实标，其相对过失可≤±0.2%。

 

在本设备中，我们选用PVTt法气体标准设备实标,Ec=±0.2%。

 

2·2临界流函数C'

 

实践气体的临界流函数不但与滞止压力、温度有关而且与气体组份有关。由于在常温、常压附近，临界流函数改动很小，一般用一常数标明。

 

当用音速文丘利喷嘴标定各种流量仪器时，为了节省设备出资和工作费用，目前国内一般均运用湿空气作为试验介质，而临界流函数C'仍按干空气核算，当空气湿度较大时，会带来较大的过失。在本设备中，Ec≤±0.2%。

 

2 · 3摩尔质量M

 

由于运用湿空气作为试验介质，但核算时却一般按干空气的摩尔质量核算。湿空气是干空气和水蒸汽的混合物，一般大气中水蒸汽的摩尔成分很小，湿空气和干空气的摩尔质量相差很小。当空气湿度较大时，会带来较大的过失，这时，在核算进程中一般需求对空气湿度的影响进行修改。

 

在本设备中，由于在运用进程中，空气湿度较小，因而没对此作修改，由此带来的过失很小，在这里忽略不计。

 

2 · 4喷嘴喉部内截面积A

 

根据临界流流量计检定规程[4]，Ed≤±0.1%，所以EA=±2Ed≤±0。2%。

 

2·5滞止必定压力p0

 

我们假定了气体在文丘里喷嘴进口处是处于滞止情况，即气体流速以等熵进程降为零时的情况。此时，进口处流速趋于零，相当于进口截面积比较于喉部截面积趋于无穷大，即直径比 β趋于零，此时的温度、压力分别称为滞止温度、滞止压力。当 β不可小时，就需求由测得的活动情况参数算出滞止情况参数。

 

在ISO9300中，给出了实测压力与滞止压力的联络[2]：

 

式中：p0为喷嘴滞止必定压力；p1为喷嘴进口实测必定压力；k为等熵指数，关于理想气体，k等于比热比；Ma1为文丘里喷嘴进口处的马赫数。

 

根据文献[1]，当 β≤0.5时，式(5)可近似标明为

 

关于空气，k=1.4。

 

在本设备中，β =0.2，我们用实测必定压力(图1中滞止容器的压力p1)直接代替了喷嘴滞止压力，由此所带来的过失E1可用式(6)核算:

 

一般实测必定压力的检测可以选用两种方法：

 

第一种方法：差压变送器+大气压力计+A/D，差压变送器的高压室直接通大气，低压室用于检测滞止容器的压力，这样测得的压力实践上是真空度，要想得到必定压力，必须用大气压力计测得大气压，必定压力=大气压－真空度。所以选用这种方法的过失E2应包括必定压力变送器的过失E21、大气压力计的过失E22和A/D数据搜集卡的过失E23：

 

第二种方法：必定压力变送器+A/D，直接用必定压力变送器检测滞止容器的必定压力。所以选用这种方法的过失E2包括必定压力变送器的过失E24和A/D数据搜集卡的过失E23：

 

在本设备中，选用了第二种方法，其间必定压力变送器的量程为0～0.12MPa，精度为±0.2%，选用台湾研华的12位A/D数据搜集卡，精度为±0.015%，所以