负压法临界流文丘里喷口觜气体流量标准装置的研究及应用

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璧 量 曼 旦呈 至 =!=至 ! 呈 =! ! =!!负 压 法 临 界 流 文 丘 里 喷 口觜气 体 流 量标 准 装 置 的 研 究 及 应 用tll~利 ，李晓字 ，郑云林 ，穆 军(新疆维吾尔自治区计量测试研究院，乌鲁木齐 83001 1)[摘 要]为提高气体流量计检定装置的精度和效率 ，设计了一种基于文丘里喷嘴的负压法气体流量标准装置。气体流量标准装置所嵌入的 15只主标准器为临界流文丘里喷嘴，使用上位机 (PC)和下位机 (PLC)两级计算机技术实现压力 、温度、湿度、频率、时间等参量的采集和各类开关量的控制。8路不同通径实现各类气体流量计 自动检定 (或校准)作业，并赋值。实际应用表明，标准装置性能稳定可靠，可对涡轮、涡街、旋进漩涡、罗茨、超声、膜式燃气表等气体流量计开展检定或校准工作。

[关键词]负压法；临界流文丘里喷嘴；气体流量计；VB6．0；PLC[中图分类号]TH814 [文献标识码]B [文章编号]1002—1183(2013)05—0044—05气体流量标准装置可以分为原始标准和传递标准两大类，原始标准是流量计装置可能达到的最高准确度，如 Mt法气体流量标准装置 (约 0．02级)、PVTt法气体流量标准装置 (约0．05级)、活塞式气体流量标准装置 (约 0．07级)以及钟罩式气体流量标准(约0．1级)。原始标准是依据流量的基本定义予以实施的装置，即以容积、质量和时间为原始量值计算气体的体积流量或质量流量 j。

传递标准装置一般是通过原始标准装置的量值传递，选择具有良好重复性和稳定性为主标准器的气体流量标准装置，精度范围一般为0．2级至 0．5级，可以开展0．7级以上的气体流量计检定或校准工作。标准表法气体流量标准装置是检定 (或校准)气体流量计的常用装置，它使用方便，建标费用低，研究前景光明。

目前常用的标准表主要有临界流文丘里喷嘴、涡轮流量计、罗茨流量计等。而采用临界流文丘里喷嘴作为主标准器的气体流量标准装置，尽管有关文献已经进行了大量研究，但依然存在很多需要研究的因素。

1 标准装置组成及工作原理1．1 标准装置的组成负压法临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置_2主要由临界流文丘里喷嘴、试验管路、滞止容器、水环真空泵、控制设备及数据采集处理系统组成。其设计及检定的依据主要是 JJG 620-2008《临界流文丘里喷嘴》和JJF 1240-2010《临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置》。设计的量值传递范围为 (0．5～2000)m ／h，三个独立 的工作 台位，可对 DN25～DN200的气体流量计进行检定 (或校准)作业。装置的准确度为 0．3 1％，可对 1．0级以下的气体流量计进行量值传递工作，包括涡轮流量计、罗茨流量计、涡街流量计、质量流量计、超声流量计、浮子流量计 、旋进漩涡流量计、膜式燃气表、湿式流量计等。

当被检测气体流量计为 A类仪表时，由数据采集、数据控制系统直接采集被检表的脉冲量，结合标准体积量值，直接计算 A类仪表的线性度；对于 B类仪表，因为没有脉冲输出，采用一定时间内，标准器与被检表气体体积量值的偏差值计算被检表的示值误差。标准装置硬件结构如图1所示。

图 1 负压法临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置图数据采集与数据控制系统以工业控制机作为上位机，VB6．0程序控制平台实施数据处理，以西门子[收稿日期]2012—10—11[作者简介]王顺利 (1979一)，男，甘肃环县人，工程师，毕业于石河子大学，研究方向为气体流量标准装置。

· 44· Industrial Measurement 2013 Vo1．23 No．5MEASUREMENT EQUIPMENT AND APPLICATIONPLC可编程控制系统作为下位机进行数据采集，气体流量标准装置控制系统负责接收背压比、滞止容器处的温度、压力和被检表处的温度、压力、脉冲值，以及环境压力和大气湿度等参数。整个检测过程，进行人机交互 ，完成数据采集、数据处理、数据保存、试验结果原始数据打印等。控制系统如图2所示。

显示器图2 临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置控制系统图1．2 工作原理根据空气动力学 中理想气体一维等熵流动的原理，当喷嘴上下游的压力比超过某一临界值以后，气流速度在喉部 (即最小界面处)达到当地音速并稳定不变 。

而通过喉部截面的流量只取决于上游的总参数(总压和总温)和气体的性质。对于确定的气体总压和总温，通过喷嘴的流量就由喉部的面积确定，下游的流动变化不会影响上游的流动状态，流量也不会因此而变化。

临界流文丘里喷嘴 (简称喷嘴)的内壁形状如图3所示，当气体通过喷嘴时，若人口处压力P 和出El处压力P 满足如下条件：P3／p。≤(0．8—0．88)(根据气体通过喷嘴喉部雷诺数而定)时，则气体通过喷嘴喉部的流速恒定于当地的音速，且保持不变，此时即为临界流状态。

根据连续性原理，此时通过被检定流量计气体质量流量 g ，一定等于通过喷嘴处的气体质量流量工业计量 2013年第 23卷第 5期q柁。就是利用喷嘴的这一特性，作为气体计量量值传递标准的依据。

图3 临界流文丘里喷嘴示意图标准装置采用国际标准 IS09300中的临界流文丘里喷嘴作为主标准器，工作方式为吸气负压标定，直接以大气作为气源。

各检测管路上装有温度、压力变送器，用于采集流量计处的温度和压力信号。滞止容器装有采集喷嘴滞止温度、压力信号的温度变送器和压力变送器。汇集容器装有采集喷嘴背压的压力变送器。水环真空泵· 45 ·MEASUREI＼／lENT EQUIPMENT AND APPLICATION负压源使喷嘴工作在临界流状态下。根据连续性原理，通过被检流量计的气体质量流量一定等于通过喷嘴的气体质量流量。工控机控制数据采集系统进行数据采集，由喷嘴滞止温度、压力得到质量流量，再由环境温度、大气压力、流量计处温度压力算出气体在流量计处密度，从而得到气体在流量计处的实际体积流量和标准体积流量，然后和流量计本身i贝0量并显示的流量进行对比，根据检定规则得出检定结果 j。

2 流量计算2．1 喷嘴处的理想质量流量根据国际标准 IS09300《Measurement of gas flowby means of critical flow Venturi nozzles}>，在临界流条件下，由理想气体的一维、等熵流动理论可得，流过音速喷嘴的理想气体质量流量 q ：棚索 )(2)式中：q 为音速喷嘴在理想条件下的质量流量，ks／S；A。为喷嘴喉部截面面积，m ； 为绝热指数，对理想气体，它等于比热比，取 1．4；C 理为理想气体临界流函数 (无量纲)，0．684731，I P。为喷嘴入口处的滞止压力，Pa；TO 为喷嘴人 口处的滞止温度，K；为通用气体常数，8314．472J／kmol·K；M为气体的摩尔质量，检测介质为空气时，28．9653g／mol。

很多文章中将 R定义为气体常数，而实际 R =(R／M)应该是气体常数比较妥当，因为 是定值，而 是随着气体性质的不同取值不同。

2．2 喷嘴处的实际质量流量因为实际使用的检测介质并不是理想气体，将理想质量流量公式 (1)中的理想临界流函数 c 坤用实际气体临界流函数 c。替换，再乘上流出系数 c ，这样就把理想的三要素 (理想气体、一维且等熵)都修正了，理想质量流量就变成 了实际喷嘴处 的质量流量 ：q =A CdC —；兰二 (3)C ： √ ( ) (4)式中：q 为音速喷嘴在实际条件下的质量流量，ks／s；C 为喷嘴流出系数 (无量纲)，EhJ=级量传标准赋值；C。为实际气体临界流函数 (无量纲)，实际计算· 46 ·并不按定义式 (4)计算，而是采用查表内插求值或根据经验公式直接计算；Z0为实际气体压缩系数 (无量纲)，查表赋值。

2．3 实际条件下喷嘴处的体积流量根据克拉贝龙状态方式：pV=nRT (5)式中：P为标准状态下气体的压强，Pa；V为标准状态下的气体体积，m。；T为标准状态下气体的温度，K；n为气体的物质的量，mol。

根据微观条件下气体性质的定义式：凡= (6)式中：m为气体的质量，g； 为气体的摩尔质量，检测介质为空气时，28．9653g／mol。

根据气体流量与空气总量的关系：q =÷，9 = ( ／) ■ L
式中：q 为气体的体积流量，m ／s；t为一定量的气体流过喷嘴所用的时间，s。

(5)(6)(7)联合求解：p =p =qmt n
』mg (8)取 为喷嘴喉部值 To，P为喷嘴喉部值 P。，将(3)式代人 (8)式得实际条件下音速喷嘴处的体积流量 ：q =A CdC ’o
M(9)2．4 实际条件下被检流量计处的体积流量根据理想气体状态方程：= (10)式中：P 为被检表处的绝对压力，Pa； 为被检表处的绝对温度，K；q。为被检表气体体积流量，m ／s。

3 数据采集与数据处理气体流量标准装置以工控机为上位机，PLC为下位机采集温度、压力、湿度和大气压力等数据，PLC而ll理● CMEASUREMENT EQUIPIVIENT AND APPLICATION 量 量壁堕旦开关量控制喷嘴及真空泵等硬件设备。工控机通过数据处理，实现对 8个不同通径的各类气体流量计的自动检定 (或校准)，得出原始记录，打印并保存。

3．1 硬件部分设计硬件部分主要实现数据采集和控制功能，可采集检定所需的喷嘴滞止温度、压力、喷嘴背压、流量计处温度压力、大气温度压力和湿度等信号，并控制相关设备的开关状态，如图4所示。

数据处理一 ， 一 ． 一 ． ． ． 一 — ， 一 一 一 ． ． 一 j一 次测量元件或执行机构图4 数据采集及控制部分示意图数据采集部分包括采集滞止容器温度、滞止容器压力；大气压力、温度和湿度；被检流量计处温度、压力、脉冲个数和被检流量计的模拟量输出值。

控制部分包括控制检定管道切换、喷嘴阀门开关和水环式真空泵开关。系统需根据不同的流量点对 3台水环式真空泵和 15只喷嘴的开关进行控制并检测其开关状态。水环式真空泵和其他一些辅助设备的开关控制采用人工和计算机两种控制方式，目的是在紧急情况下人工直接干涉真空泵与滞止容器的负压流场，使其隔离，保护小流量气体流量计不至于损坏。

15只喷嘴的开关及其状态检测由工控机串口进行通信并发送上位机控制指令。

3．2 系统检测流程实现上位机选用工业工控机，以控制数据采集并处理采集数据，并在上位机软件中对检定参数进行设定及对检定数据进行管理。上位机软件在 VB6．0环境下设计开发，检定完成后数据采用 Microsoft Acces数据库进行管理。

开始检定前，首先明确被检测气体流量计的基本工业计■ 2013年第l23卷第5期信息，并以正确的安装顺序和方式将气体流量计定位在合适的工作台位上，并夹紧，如图5所示。

图5 被检气体流量计安装示意图明确基本的检定信息 (重点是气体流量计的类型、测量范围、准确度等级和仪表编号)并赋值给控制系统，控制系统根据设定的流量大小自动打开所需的喷嘴电磁阀门，驱动数据采集部分采集温度、压力、湿度和脉冲个数等量值，计算流过被检流量计的质量流量或标准状态下的体积流量，并与被检流量计测得的流量值比较，得出被检流量计的流量系数、线性度 (或示值误差)及重复性。

检定完成后，检定结果存入 Microsoft Access数据库。系统提供数据查询和原始记录打印功能。

3．3 数据处理对于有脉冲输出的A类气体流量计，每完成一次检定时仪表系数的计算公式为：(11)(，． ^式中：ki为第 i次检定所得仪表系数，l／m ；Ni为第次检定从被检表处采集到的脉冲个数；q 为标准装置测得的体积流量，m ／s；t为第i次检定所用的时间，S。

每一个检定流量点的仪表系数为：k= 1∑k (12)式中：k为检定流量点处仪表系数，L／m。；n为检定流量点检定的次数。

最终被检定气体流量计的仪表系数：K ：—km_a~+ kmin(13)式中：K为气体流量计仪表系数，L／m ；k 为各检定点仪表系数最大值，1／m ；k 为各检定点仪表系数最小值，l／m 。

最终被检气体流量计的线性度 (相对示值误差)：E =kin~ -kmin
×100％ (14)(下转第53页)融 UNCERTAINTY OF MEASUREMENT 量丕 壁堕f4 标准不确定度汇总表表 1 标准不确定度汇总表5 合成标准不确定度u。(at)=Jt l2(f)+u 12( )+u 。12(△f)=~／(2．57％) +(1．00％) +(0．6％) =3．O4％6 扩展不确定度的评定取 k=2扩展不确定度：t95(50)Uf=“ (△f)=2×3．04％=6．1％7 测量不确定度的报告与表示量程为 2．0i．~mol／mol的甲醛气体检测仪在通入0．5Izmol／mol甲醛标 气 时，测 量值 为 0．528~moL／moL，示值相对误差的扩展不确定度：U =6．1％ ，k=2。

[编辑：薛 敏](上揍第 47页)4 气体流量标准装置过程控制气体流量标准装置是工作气体流量计重要的量值溯源标准，其测量过程的量值赋值情况直接反映了装置的准确性、重复性和稳定性。使用控制图可以记录装置的、狈0量过程和稳定程度，并由此判断气体流量标准装置是否处于受控状态。

本次实验分析采用平均值 一极差控制图来记录气体流量标准装置的测量过程，判断测量过程是否受到不受控的随机效应的影响。

控制图的纵坐标为计算得到的各统计控制量 ，横坐标为时间坐标。在图上绘制出 CL、UCL和 LCL三条控制界限。在图中标出各子组相应统计控制量的位置 (检测点)后，将相邻的检测点连成折线，完成控制图，如图6平均值控制 图和图 7极差控制图所示 。

O．55O．52O．490-340_31O．28O．25一 ／，＼ ．／＼ ／^＼^ ：＼／ 一 V1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23时间r／s图6 平均值控制图根据控制图对异常判断的各项准则，对控制图中各检测点的分布状态进行判断，从图 6和图 7可知，气体流量标准装置过程未出现异常，没有出现不受控的系统效应的影响和不受控的随机效应的影响。

工业计量 2013年第23卷第5期誉．32．28．24．20． 16． 12．08．04．00。 ，-、 ／ ＼ ^ 人 .

． — V V 、_-～ ，，● l ● ● l I I l ● - _ I l I I _ l _ I ● _ l I11 13 15 17 19 21 23时间珧极差控制图5 结束语基于负压法临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置，其相对扩展不确定度为 U=0．30％，k=2，可实现对 1．0级以下气体流量计量值传递工作，负责新疆地区工业、民用和科研单位气体流量计的量值传递任务，使用结果证明可行，并与国内同级别的气体流量标准装置比对时，对于同一传递标准， 非常满意。

同时装置在保证检定准确度的前提下，减少了人为干涉因素，工作效率提高。

[参考文献][1]黄向阳，李长武，罗强 ．标准表法气体流量标准装置及不确定度分析 [J]．计量技术，2006(7)：45—48.

[2]JJG 620-2008，临界流文丘里喷嘴检定规程 [S].

[3]JJG 643—20o3，标准表法流量标准装置检定规程 [S].

[4]JJF 1240-2010，临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准规范 [S].

[5]GB／T 2624—93，流量测量节流装置用孔板 、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量 [s].

[6]葛颖奇，毛谦敏，郑慧峰，等．音速喷嘴法气体流量计自动检定系统 的设计与实现 [J]．自动化仪表，2011，32(12)：61—64.

[编辑：邓茂焕]· 53-9 7 7 图5 3