音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的基本原理

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)簡單、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高、無可動部件、維護(hù)方便、檢定周期長（五年）等等。音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置適用于對各種氣體流量計(jì)的檢測和校準(zhǔn), 可以檢測質(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。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，滯止容器需要測溫6測壓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，可以不用開啟真空泵，只要儲氣罐2的真空度能夠滿足要求即可。真空泵的能力應(yīng)滿足下列兩個條件：*，真空泵所提供的流量應(yīng)大于被檢流量計(jì)的zui大流量；第二，在測量過程中，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，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，喉部流速達(dá)到zui大流速----音速，即達(dá)到所謂的臨界流，此時，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、等熵、*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)，對于*氣體，k等于比熱比。
對于空氣，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壓力（Pa）
T0 ---- 音速文丘利噴嘴前的氣體滯止溫度（K）
RM ---- 氣體常數(shù)（J/（kg×K）），對于空氣，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, 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“一維、等熵流動” 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，即通過若干個音速文丘利噴嘴的組合，或設(shè)計(jì)時將某一個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，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：*，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。