渦輪流量計(jì)流量標(biāo)準(zhǔn)檢定規(guī)程,音速噴嘴氣體流量
流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是流量單位量值統(tǒng)一與傳遞的標(biāo)準(zhǔn)，也是保證流量計(jì)量?jī)x表準(zhǔn)確一致的重要工具。通過使用流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可以確保不同地區(qū)不同部門不同企業(yè)的流量量值與標(biāo)準(zhǔn)量值統(tǒng)一。使用流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定流量計(jì)，可以確定流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)、過載能力、可靠性、壽命和重復(fù)性等，還可以研究流量計(jì)的動(dòng)態(tài)特性，分析標(biāo)況條件與工況條件之間的差異對(duì)流量計(jì)性能的影響。此外，流量計(jì)是計(jì)量法規(guī)定的強(qiáng)檢計(jì)量器具，且常用與貿(mào)易結(jié)算計(jì)量，因此必須進(jìn)行周期檢定。 目前，常見的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可以分為液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置兩大類，如圖 5.1 和圖 5.2。
圖 5.1 液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置分類圖
圖 5.2 氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置分類圖
圖 5.3 音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)物圖
音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)：
音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置通常由氣源、試驗(yàn)管路、臨界流流量計(jì)、計(jì)時(shí)器和控制設(shè)備等組成。其中氣源包括壓氣機(jī)和壓力儲(chǔ)氣罐、標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)、原始標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。臨界流流量計(jì)主要分音速噴嘴和音速文丘里噴嘴兩種。音速噴嘴又稱臨界流噴嘴，它的喉部后面不帶擴(kuò)張管；音速文丘里噴嘴又稱臨界流文丘里噴嘴，它的喉部后面帶有擴(kuò)張管。臨界流流量計(jì)包含一次裝置和二次裝置兩部分。一次裝置是音速噴嘴或音速文丘里噴嘴，二次裝置包括測(cè)量一次裝置前氣體滯止壓力 P0的壓力計(jì)和測(cè)量一次裝置前氣體滯止溫度 T0的溫度計(jì)。臨界流量計(jì)中的噴嘴安裝在滯止容器壁上，不同喉徑的噴嘴組合可以給出多個(gè)恒定質(zhì)量流量點(diǎn)。
音速噴嘴根據(jù) ISO9300 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)按照一定的幾何形狀設(shè)計(jì)制造。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)理論[59]，當(dāng)音速噴嘴的上游滯止壓力恒定不變時(shí)，降低音速噴嘴的下游壓力，當(dāng)音速噴嘴的下游壓力達(dá)到一定值時(shí)，下游壓力與上游壓力之比達(dá)到臨界壓力比。此時(shí)通過音速噴嘴喉部截面的氣體流速達(dá)到音速，通過音速噴嘴的氣體質(zhì)量流量達(dá)到***大，即使進(jìn)一步降低下游壓力其流量也不會(huì)再增加。流出音速噴嘴的氣體質(zhì)量流量由音速噴嘴喉部面積和上游的流體參數(shù)共同決定。在滿足臨界壓力比的條件下，通過音速噴嘴的氣體質(zhì)量流量只與音速噴嘴的上游壓力有關(guān)，而不受噴嘴下游壓力的影響。根據(jù)這一特性，臨界流流量計(jì)成為了應(yīng)用于氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置***主要的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)器。
音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置按照氣源壓力的不同進(jìn)行分類，有正壓法和負(fù)壓法兩種。負(fù)壓法的流量范圍受到限制，但是其噴嘴上游壓力為大氣，故流量穩(wěn)定性好。本實(shí)驗(yàn)使用的是浙江蒼南儀表廠檢定中心的負(fù)壓法音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。
圖 5.4 負(fù)壓法音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖
1—過濾器，
本實(shí)驗(yàn)所采用的負(fù)壓法音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的檢定介質(zhì)為空氣，標(biāo)準(zhǔn)裝置的***大工作流量為 1050 m3/h，裝置擴(kuò)展不確定度為 0.25%。其關(guān)鍵部件臨界流量計(jì)是由 16 個(gè)不同喉徑的音速噴嘴組成，可采用不同喉徑的音速噴嘴進(jìn)行組合以滿足不同檢定流量點(diǎn)的需求，各音速噴嘴參數(shù)見下表 5.1。
表 5.1 各音速噴嘴參數(shù)表
音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置有 2 臺(tái)真空泵，單臺(tái)真空泵的抽氣速率為270m3/min，***大工作壓力為 1.8MPa。安裝在管道上的溫度傳感器 T 和壓力傳感器 P1 與工控機(jī)連接，可檢測(cè)被檢儀表管道內(nèi)壓力和工作溫度，壓力變送器P1 的測(cè)量范圍為 0-1000k Pa，溫度傳感器 T 的測(cè)量范圍為 0-50°C。滯止容器上安裝的溫度傳感器 Ti和壓力傳感器 P 與工控機(jī)連接，溫度傳感器 Ti的測(cè)量范圍為 0-50°C，壓力傳感器 P 的測(cè)量范圍為 0-1000k Pa。
音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理 ：
音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理是基于流體力學(xué)的連續(xù)性方程。以臨界流流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)器，當(dāng)氣體連續(xù)通過臨界流流量計(jì)和試驗(yàn)管路時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)裝置瞬時(shí)流量由臨界流流量計(jì)給出，累積流量由臨界流流量計(jì)和計(jì)時(shí)器給出。對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢定時(shí)，比較相同狀態(tài)臨界流流量計(jì)和被檢流量計(jì)流量，從而確定被檢流量計(jì)的計(jì)量性能。
負(fù)壓法音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定流量計(jì)時(shí)，首先按檢定流量確定使用的噴嘴組合，用開關(guān)閥關(guān)斷不需要使用的噴嘴管路。啟動(dòng)真空泵，在真空泵的作用下，真空罐內(nèi)的壓力不斷下降，當(dāng)噴嘴下游和上游的壓力比小于臨界壓力比時(shí)，氣體質(zhì)量流量達(dá)到***大，穩(wěn)定保持在檢定流量點(diǎn)。開始試驗(yàn)時(shí)，同時(shí)記錄噴嘴上游氣體滯止溫度、滯止壓力、被測(cè)流量計(jì)的輸出值和試驗(yàn)管路處的溫度和壓力。經(jīng)過一定時(shí)間后，同時(shí)停止各參數(shù)的記錄。此時(shí)，噴嘴給出的瞬時(shí)質(zhì)量流量為 
通過試驗(yàn)管路的氣體質(zhì)量流量為 qm，測(cè)量試驗(yàn)管路處氣體的溫度 T、壓力P 和密度 ρ，則通過試驗(yàn)管路處的氣體瞬時(shí)體積流量為 
實(shí)驗(yàn)流程：
渦輪流量計(jì)是速度式流量計(jì)中應(yīng)用***廣的流量計(jì)，其檢定有單獨(dú)制定的專用標(biāo)準(zhǔn) JJG1037-2008《渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程》。本實(shí)驗(yàn)遵從該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢定。
渦輪流量計(jì)的檢定采用直接測(cè)量法在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行檢定，將被檢量與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，即標(biāo)準(zhǔn)裝置上的流量標(biāo)準(zhǔn)量與被檢流量計(jì)示值進(jìn)行比較。
按照渦輪流量計(jì)的檢定規(guī)程 JJG1037-2008 的要求，流量計(jì)的檢定應(yīng)包含qmin、0.1qmax 、0.25qmax、0.40qmax、0.70qmax和 qmax這 6 個(gè)流量點(diǎn)，即在 13 m3/h、25 m3/h、62.5 m3/h、100 m3/h、175 m3/h、250 m3/h 流量值進(jìn)行工況環(huán)境實(shí)驗(yàn)檢定。具體實(shí)驗(yàn)流程如下：
(1) 開啟音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置電源，真空泵運(yùn)行調(diào)節(jié)儲(chǔ)氣容器內(nèi)的氣壓，待氣壓穩(wěn)定達(dá)到檢定要求后方可開始檢定；
(2) 在音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上選取相應(yīng)口徑的管道安裝被檢流量計(jì)并連接相應(yīng)傳感器，如圖 5.5。流量計(jì)與前后直管段要同軸安裝，其試驗(yàn)管段的連接部位應(yīng)無泄露且保證連接處的密封墊未凸入流體管道內(nèi)；
圖 5.5 渦輪流量計(jì)檢定安裝圖
(3) 打開音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置工控機(jī)上的檢定程序，設(shè)定檢定流量值，并確定環(huán)境溫度、濕度以及裝置內(nèi)氣體溫度、濕度符合檢定標(biāo)準(zhǔn)，檢定程序界面見圖 5.6；
圖 5.6 工控機(jī)檢定程序界面
(4) 在工控機(jī)上運(yùn)行檢定程序，流量計(jì)在可達(dá)到的***大檢定流量的70%~100%范圍內(nèi)運(yùn)行 5min 后，流體溫度、壓力和流量穩(wěn)定后開始正式檢定各規(guī)定的流量值；
(5) 檢定過程中，要隨時(shí)注意壓力、溫度、流量的變化，每調(diào)整到一個(gè)檢定流量點(diǎn)，都應(yīng)等待壓力、溫度、流量穩(wěn)定后才可進(jìn)行檢定，且每個(gè)流量點(diǎn)的檢定 3 次，工控機(jī)會(huì)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量并記錄標(biāo)準(zhǔn)裝置和流量計(jì)的流量值、大氣壓力、流體溫度、表壓力和檢定時(shí)間等；
(6) 完成各規(guī)定流量值的檢定后，輸出數(shù)據(jù)記錄并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；
(7) 關(guān)閉音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
在經(jīng)過溫濕度修正等數(shù)據(jù)處理后，使用音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)原型號(hào)渦輪流量計(jì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到表 5.2 的檢定結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)檢定結(jié)果為第四章中數(shù)值模擬計(jì)算的壓力損失值提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性?？紤]到時(shí)間、成本及安全等因素，尚未進(jìn)行開模和實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證。后續(xù)可在考慮后導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)選出較優(yōu)模型開模并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
表 5.2 原型號(hào)渦輪流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)檢定結(jié)果
實(shí)驗(yàn)得到的渦輪流量計(jì)壓力損失與流量之間的關(guān)系已于前一章的圖 4.5 給出，圖中還給出了實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的比較。
小結(jié)：
常見的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可以分為液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置兩大類，本章著重介紹了屬于速度法標(biāo)準(zhǔn)裝置的音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)及其工作原理。 本文實(shí)驗(yàn)使用的是浙江蒼南儀表廠檢定中心的負(fù)壓法音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。負(fù)壓法音速噴嘴標(biāo)準(zhǔn)裝置由三部分組成，包括過濾器、被檢儀表、開關(guān)閥門、滯止容器、音速噴嘴（臨界流流量計(jì)）、真空罐、調(diào)節(jié)閥門和真空泵。
其工作原理可以簡(jiǎn)要概括為：氣體連續(xù)通過臨界流流量計(jì)和試驗(yàn)管路，標(biāo)準(zhǔn)裝置瞬時(shí)流量由臨界流流量計(jì)給出，累積流量由臨界流流量計(jì)和計(jì)時(shí)器給出。對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢定時(shí)，比較相同狀態(tài)臨界流流量計(jì)和被檢流量計(jì)流量，從而確定被檢流量計(jì)的計(jì)量性能。