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1、2 0 0 6 年全国流量测量学术交流会论文集音速喷嘴气体流量标准装量介绍及误差分析探讨摘要本文介绍了临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置标准装黄系临界流喷嘴气体流璧标准装置选用符合国际标准的临界流文丘利喷嘴作为气体流量标准采用标准流量计比较法原理进行流蜃计检定和测试。依据有关的国家检定规程。该装置可对涡轮、涡街、叶轮、旋进旋涡等速度式流量计和腰轮、煤气衰容积式流量计进行检定。本文论述了采用气体流量检定装置的重要性分析了原理、系统构成、对装置不确定度进行了分析，开发了报表打印软件。并通过计算提出了产生装置相对误差几种可能情况，关键谰临界流音速喷嘴质量流量不确定度一、概述l 、在我公司范雕内需要使
2、j 的流量仪表夜涡衙、涡轮、旋进旋涡、气体质璇流糖计等，这些流量汁用米计量r 际问、车间之间物料、f i E - 耗的交接鲢这拦仪表都已经趔过规定的检定周期，准确性根雉保证，影响能源及物料的炎技聋速峨嘴梭定装置有捱压梭定和负压捡定之分，i 刚剐佥定没备投资赞 j 比负f K 检定螫高4 6 倍，阁为人气；1 r 岔柏一定量的水蕉L 经字眼机雎缩后，容易变成饱确i 汽介质L 现两相流这种气体无法满足气体流量汁的榆定要求，必须在压缩, P ) LJ i 7 I J H 除7 鞋、十燥措施，空i ：4 - ) L 排出的气体是半波振动，叉耍采取一系列的稳压措施负胍检定( 接近常压) 投嚣少能耗低，使
3、用无限场大气作气源，气体经过被检表及喷嘴，状态没自经过剧变fH ：雅) ，犬气湿度可以测知，通过软件进行修正，由此采用负压式音速喷嘴法开展气表的榆定1 作。1 1 、汁量标准的主要技术指标榆定流量范嗣：1 5 0 0 0 N m h被检流量计n 径：D N l 5 一D N 2 5 0装置I 一作压力：8 5 5 0k P a ( 绝鹾)装嚣的工作温度：一1 0 5 0 m 、装置的外型图、装置的检定规程该装嚣所配型环形临界流文丘哩喷嘴均符合圈际标准I S 0 9 3 0 0 的技术规定，有芙喷嘴标准质毋流最的汁尊也严格按卜违标准进行，喷嘴检定按曛黧j J 6 6 2 0 一1 9 9 4 临
4、界流流量计检定规程检定装置的枪定系统按1 ：列标准进行脸定2 0 0 6 年全国流量测量学术交流会论文集( 1 ) J J G l 9 8 - 9 4 速度式流量计检定规程；( 2 ) J J G 6 3 3 9 0 气体腰轮流量计检定规程； 该装置的检定按J J G 6 4 3 2 0 0 3 标准表法流量标准装置检定规程进行。二，计量标准的工作原理及其组成此标准装置系临界流喷嘴气体流量标准装置，选用符合国际标准的临界流文丘利喷嘴作为气体流量标准，采用标准流量计比较法原理进行流量计检定和测试。依据有关的国家检定规程，该装置可对涡轮、涡街、叶轮、旋进旋涡等速度式流量计和腰轮、煤气表容积式流量计
5、，进行检定。其流程图如图1 ：I l 气源入口 上泵一l泵2泵3泵4。，图l气体流量标准装置由五部分组成：1 、气源部分，它用于产生气体负压流动。该部分由真空泵、阀门组、缓冲容器组成。另外还有给真空泵的供水排水系统。2 、音速喷嘴组计量核心部分。该部分有1 6 只标准流量计临界流文丘利喷嘴、滞止容器、背压容器、选择喷嘴的阀门组件。为了进行准确计算，喷嘴前后设有高精度的压力变7 02 0 0 6 年全国流量测量学术交流会论文集送器，温度变送器，提供喷嘴前滞止压力和滞止温度以及喷嘴后的背压值。 3 、被检流量计及管路系统。该部分包括：六条被检流量计管线，D N 2 5 ，D N 5 0 ，D N
6、l 0 0 ，D N l 5 0 ，D N 2 0 0 ，D N 2 5 0 。被检表夹表平台，其中有气动夹具、蜗轮蜗杆升降检验平台。被检表处的温度压力传感器。被检信号输出接线盒，被检表信号有：脉冲输出、被检表电源、地线、模拟量信号和开关量信号。4 、气路系统。该系统由空压机为气源，提供装夹被检表气源和气动阀门气源并用于在标定过程控制音速喷嘴的开和关，以建立不同的流量点。5 、数据采集与处理系统。该系统以工控计算机为中心进行控制、数据采集、数据处理。工作原理：根据音速喷嘴的临界流特性，当气体通过临界流喷嘴时，在喷嘴上、下游气流压力比达到某一特定数值的条件下，喷嘴喉部形成临界状态，气流达到最大速
7、度( 当地音速) o 流过喷嘴的气体质量流量也达到最大q m o 此时q m 只与喷嘴人口处的滞止压力和温度有关，而 不受其下游状态变化的影响。流经临界流喷嘴的质量流量q m 可按下式计算：g 。= A c c 亮丽P o 而式中：g 。音速喷嘴在实际条件下的质量流量，k g s ；A 音速喷嘴喉部的截面积，m 2 c _ 经检定确定的流出系数；C 。实际空气的临界流函数；P 0 音速喷嘴前的气体滞止绝对压力；瓦音速喷嘴前的气体滞止温度；R 通用气体常数，8 3 1 4 4 1 J k g m o l e K 卜气体摩尔质量，对于空气( R M ) = 2 8 7 0 J k g m o l
8、e K装置工作时，在真空泵的作用下，空气流过测试管段和被检流量计，进入滞止容器，流经临界流文丘利喷嘴组，最后经背压容器，到真空泵排出。根据检定流量的大小，通过手动 或自动控制阀门，选择不同的喷嘴组合，确定所需的检定流量。通过气源系统，能保证进入装置的气体相对稳定并在喷嘴喉部建立临界流状态。此时，装置所复现的气体流量标准值为：，g 。= g 。；、，式中：g 。装置所复现的气体质量流量标准值。口蒯通过第i 个临界喷嘴的气体质量流量。n 所选择喷嘴的个数。 在稳定的工况下，流经临界流喷嘴和被检流量计的气体质量流量是相同的。在检定过程中1 、先开启空压机，待稳定后开启真空泵。2 、将被检流量计水平夹
9、装于相应口径的装置 夹具中。3 、将压力计装于流量计的取压孑L 上。4 、记录当时的温度、气压值及相对湿度。2 0 0 6 年全国流量测量学术交流会论文集5 、根据检定流量点选择真空泵的台数。6 、检定流量计时，需确定流量计所需的工作电压，并将信号转换柜上的输出工作电压调到相应值。正确连接被检表脉冲发讯器，三线切勿接错。7 、按操作要求启动计算机数据采集和处理系统，并进行系统自检。若需要，更新或修 改系统基础数据。8 、在系统的提示下，输入检定所需参数。其中包括被检流量计名称、型号、编号，空气相对湿度，检定流量测试时间、检定点、每点检定次数等。9 、打开气源系统，使空气流进入装置。计算机控制或
10、手动操作逐步打开所选临界流喷嘴，进入第一个流量点的检定。l O 、经过2 分钟稳定后，按检定开始健，系统自动进入过程检测。待达到预置的检定时间或检定体积后，系统自动或手动控制完成该次检定，同时计算和显示检定结果。 在检定结果中，所需要的数据有检定流量、检定体积、检定时间、流量计脉冲、流量计压力、流量计温度、喷嘴压力、喷嘴温度等，各个数据之间的关系原理图如图2 ：图2，P ，：流量计处的压力瓦：流量计处的温度Q ，：通过被检流量计的气体体积流量岛：音速喷嘴处的压力瓦：音速喷嘴处的温度Q ：通过喷嘴的气体体积流量脉冲是由被检流量计所发出的，它代表流过被检流量计的体积数。根据气态方程生手鱼：生手丝，
11、因为各个参数已知，所以可以通过气态砉程莱得1 Q 。，结合检定时商即可 求得检定体积，即检定体积= 检定时间Q 。，然后根据K = 踹求得仪表系数。仪衾系数表示通过流量计的单位体积流量所对应的信号脉冲数，它是脉冲信号输出类型流量计的一 个重要参数。在此基础上可依据仪表系数求得示值误差和重复性误差等，从而判断检定的流量计是否合格。三、测量不确定度评定I 、本装置为组合音速喷嘴，流体介质为空气，不确定度分析见下表：，7 22 0 0 6 年全国流量测量学术交流会论文集音速喷嘴流量标准装置测量不确定度一览表输入量的标准不确灵敏度系 序号符号来源c ，( x i ) l U ，( x ；) 定度U ，
12、( X i ) 数c ( X i )1C流出系数0 0 8 2 10 0 8 22P s喷嘴前滞止压力0 0 4 3 7 1O 0 4 3 73T s喷嘴前滞止温度0 0 3 1 7 一0 50 0 1 5 84T m被检流量计温度0 0 3 1 7 一10 0 3 1 75P m被检流量计压力0 0 0 3 8 4 l0 0 3 8 46t计时器O 0 0 0 5 3 1 l0 0 0 0 5 3 1合成标准不确定度0 1 0 7 ，扩展不确定度0 2 1 3 ，k = 2、不确定度分量1 、临界流函数及气体常数的不确定度由于音速喷嘴的检定也是在空气介质下进行的，4 ，C 宰及R 的值相同，
13、因此可以忽略此二项不确定度。因为压缩系数的不确定度很小，可以忽略，在此不作分析。2 、流出系数C 的不确定度按检定规程要求，在9 5 的置信概率下，U = 0 2 o 因此测量次数为6 ，t 。= 2 4 5则厶咖，= 警= 罴_ o 0 8 2 0 8 2。M ，( c ) - i = 丽2u 3 、喷嘴前滞止压力的不确定度以大气为气源的负压法音速喷嘴流量标准装置，采用准确度为0 0 7 5 的差压变送器测量音速喷嘴前的气体负压值，与大气压力计所测量的当地大气压合成获得绝对压力，本装置喷嘴前滞止压力测量使用差压变送器的允许误差为0 0 7 5 ，量程为0 5 0 k P a ，则其最大允许误
14、差为：e p = 5 0 0 0 7 5 = 0 0 3 7 5k P a ，且为矩形分布，则 坼( p 。) = 鼍黔0 2 5 6 ，( 8 鼍7k P a 是兰州地区平均大气罕)大气压力计经省气象局检定，允许误差为0 0 3 k P a ，本地大气压为8 4 7 k P a ，则M 如) = 黔= o 0 3 5 4 则压力测量的不确定度为：“，( P ) = 4 0 0 3 5 4 2 + 0 0 2 5 6 = 0 0 4 3 7 ，4 、喷嘴前滞止温度的不确定度本装置使用温度变送器最大允许误差为0 2 ，量程为一l O 5 0 ，如果加上温度不均匀引起的误差则其引起的不确定度为6
15、0 0 2 + 0 3 = 0 1 5 。负压法音速喷嘴流量标准装置采用的温度是在测量值加2 7 3 1 5 得到的绝对温度，绝对零度和摄氏温度之差2 7 3 1 5 是常量，温度测量的不确定度完全取决于温度变送器的准确度，且为矩形分布，则2 0 0 6 年全国流量测量学术交流会论文集 M ，( t ) = i 业：0 0 3 1 7 4 3X2 7 3 1 55 、被检表温度测量的不确定度被检表温度测量所使用的温度变送器与喷嘴前温度测量完全相同。则 “，( 乙) = 赢O 1 5= o 0 3 1 7 ，7 。6 、被检表压力测量的不确定度被检表压力测量所使用的差压变送器的允许误差为0 0
16、7 5 ，量程为0 3 0 k P a ，使用同一大气压力计。差压变送器允许误差为：e 。= 3 0X0 0 7 5 = 0 0 2 2 5k P a ，且为矩形分布，则 “，( p ) = 垫兰旦盟= 0 0 1 5 ( 8 4 7k P a 是兰州地区平均大气压)4 3X8 4 7再与大气压力计不确定度合成，M ，( p 。) = O 0 3 5 4 2 + 0 0 1 5 2 = 0 0 3 8 4 7 、计时器的不确定度：按照标准表法流量标准装置检定规程6 2 5 2 条的要求，进行计时器时间间隔检定。以每次检定最小时间6 0 s 为间隔，重复1 5 次检定，取得1 5 对检定时间t i 和标准时间t i o ，经
