邓大云
北京思量测控设备有限公司 101113
摘要：
临界流文丘里喷嘴气体流量检定装置，具有准确度等级高、稳定性好、纯机械加工件没有可动部件环保节能等特点，在气体流量计量检定和校准中得到了广泛的应用。临界流文丘里喷嘴结构简单、坚固耐用，纯机械部件，维护检定周期为5年。对于批次生产、同一型号、口径的气体流量计，装置可以将系统保存的系数直接导入未检定的仪表中。将检定好的气体流量计数据如仪表系数、分段修正每点的平均频率/平均系数自动下载至检定好的气体流量计，可以提高检定效率和操作准确度及稳定性。装置采用高真空阀，其具有动作响应速度快、具备超长使用寿命和超低的泄漏率等优点。
引言：
目前气体流量计被广泛应用于能源领域，在气体计量、贸易结算及过程控制中发挥了重要的作用。为保证气体流量仪表的可靠性和准确度，《中华人民共和国计量法》将气体流量计、蒸汽流量计均列入强制检定范围。在气体流量计检定和校准领域，音速喷嘴法气体流量标准装置以其结构简单、性能稳定和维护简单等特点得到了广泛的应用。随着计算机、自动化技术的发展并与音速喷嘴气体流量技术相结合，高度自动化的音速喷嘴法气体流量标准装置已成为主要标准装置。
1.功能描述
临界流文丘里喷嘴气体流量检定装置设置多个不同管径的检定台位，分别为DN100、DN80、DN65、DN50、DN40、DN32、DN25、DN20和DN15。硬件系统可以接收送检表的脉冲信号（10kHz以下）、电流信号（4～20mA）和串口信号（RS485）。装置可以满足气体涡轮流量计、旋进漩涡流量计、气体腰轮流量计、气体涡街流量计和热式气体质量流量计的计量要求。自动夹表器用于夹紧送检表，需要综合考量几个机械尺寸（夹紧范围尺寸、气缸伸缩尺寸和表前管移动范围尺寸）。装置的主要部件都采用304不锈钢材料，如表前管、表后管、前滞止缓冲罐、后滞止缓冲罐。而作为紧固和支撑作用的框架机械结构主要由碳钢材料构成。装置的阀门类型包括：高真空（密封性好）电磁阀/空气动阀、普通球阀/蝶阀。系统控制与数据处理中心一般在PC上运行组态软件或者开发的上位机计量检定软件，包括历史数据库提供数据查询，报表输出。控制系统PLC需要进行DI、DO、AI、AO和FI的采集。具体包括：
（1）DI（开关量采集）：喷嘴阀门状态信号输入，夹表器状态输入，平衡阀状态输入，台位选择状态输入，大小风机选择状态输入。
（2）DO（开关量控制）：喷嘴阀门电磁阀信号，夹表器气缸电磁阀信号，平衡阀状气动电磁阀，台位选择气动电磁阀，大小风机启动/停止信号。
（3）AO（模拟量控制）：罗茨风机变频器。
（4）AI（模拟量采集）高精度模/数转换16位A/D）：绝压变送器输入信号，温度变送器输入信号，被检表输入信号。
（5）FI（频率采集高精度脉冲计数小于10kHz）：被检表脉冲输入。
2.系统工作原理
（1）音速喷嘴的工作原理
临界流文丘里喷嘴又称“音速喷嘴”，其结构如图1所示。
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图1中孔径最小处为喷嘴的喉部，当喉部上游的P0处压力值（入口滞止压力）不变时，逐步降低P1处压力值（出口背压），此时通过喷嘴处的流量逐步增大。但当P1处压力降低到某一压力值时，气体通过喉部的流速达到音速，通过喷嘴处的流量值达到最大，此时的状态称为临界流状态。在临界流状态时，P1处压力又称为临界背压，它与P0处滞止压力的比值被称为临界背压比。P1压力与P0压力的比值被称为节流压力比β。当β小于临界背压比时，通过喷嘴处的流量一直保持平稳，临界流状态时的流量与音速喷嘴入口处气体的性质和热力学状态（温度和压力）有关，喷嘴出口处气体的变化不影响流量。
（2）音速喷嘴装置的工作方法
临界流文丘里喷嘴法的标准流量装置分为正压法和负压法2种,其装置的基本组成系统如图2所示。
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正压法装置以空气压缩机组为动力气源，并由压力罐及压力调节系统为测试管段提供持续、稳定的气源，可避免气体洁净度和湿度对测量精度造成的干扰。但正压法装置系统结构复杂，建造和维护成本高。负压法装置通过真空泵组产生负压，负压与滞止压力达到临界背压比即可达到临界流状态。负压法装置直接用环境大气作为气源，通过软件修正减小环境温度、湿度产生的影响，具有气体流量稳定、投资少、能耗低、准确度高、维护方便等优点。因此，音速喷嘴法的气体流量计检定系统采用负压法设计。
（3）音速喷嘴流量的计算
临界流文丘里喷嘴的实际质量流量公式：
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式中：qm为理想条件下音速喷嘴的质量流量，kg/s;A*为喉部横截面积，m2;C为流出系数；C*为临界流函数；P0为喷嘴入口处滞止绝对压力，Pa;R为通用气体常数，取8314.4J/（kmol·k);M为气体的摩尔质量，取28.9653g/mol;T0为喷嘴入口处滞止绝对温度，K。
瞬时体积流量qv计算公式：
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式中：qv为瞬时体积流量，m3/s;Z为气体压缩系数，无量纲；Tm为被检表处绝对温度，K;Pm为被检表处绝对压力，Pa。
（4）临界流文丘里喷嘴流量湿度补偿
负压法装置是以环境大气作为气源，存在湿度的影响，因为计算流量时使用的参数是干空气的参数。因此，采用基于理想气体理论提出的修正系数进行修正。湿度修正后的气体质量流量q′m计算公式:
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式中：q′m为湿度修正后的气体质量流量，kg/s;Ph为空气中水蒸气的饱和蒸汽压，Pa；φ为空气的相对湿度，%；P为当地大气压力，Pa。
湿度修正后的气体密度ρ′m计算公式：
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式中：ρ′m为湿度修正后的空气密度，kg/m3；ρm为空气密度，kg/m3。
则，湿度修正后的气体体积流量q′v为：
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3.系统结构框架
临界流文丘里喷嘴气体检定软件可实现数据运算、报表输出、逻辑控制、人机交互，可靠稳定的检定系统软件是检定装置可靠运行的前提条件。软件具有性能稳定可靠，报表输出灵活等特点。启动软件欢迎界面、监控主界面包括：参数设置、历史查询、系统设置和帮助信息等部分。参数设置部分，用户需在计量检定前设置仪表编号、仪表类型设置、仪表口径设置、检定台位选择、流量范围输入、输入信号选择和检定时间选择及原始记录结果输出。历史查询部分包括精确查询、模糊查询、仪表编号、仪表类型、仪表口径、检定日期、报表导出和打印输出。
临界流文丘里喷嘴检定装置的软件主界面主要包括主菜单、系统状态、报表显示、风机变频控制、检定控制、喷嘴组合控制、参数信息设置、实时温度压力数据采集等。主菜单包括文件、参数设置、数据库查询、系数导入、编辑、系统设置、打印和保存、帮助等功能。系统状态：主要显示上位机与设备的通信状态、检定状态、用户信息、系统时间等。报表显示主要显示被测流量点、检定时间、标准装置实时数据、被检表装置实时数据、被检表检定数据等。能耗监控及变频控制显示设备的实时功耗、启动停止变频器、修改变频器频率等。当系统运行时，通过增加压力、减少压力来调节变频器的输出变频，进而控制装置背压比的数值的变化（背压比达到一定数值时，喷嘴才能稳定输出对应流量值）。
检定控制具有：开始检定、停止检定、暂时检定的功能。当参数设置完成并下载后，系统自动打开相应的阀门和风机。点击“开始检定”，系统进入稳定状态，等稳定状态结束进入检定状态，开始检定；在检定的过程中按下“停止检定”，系统则关闭阀门和风机，系统进入停止检定状态；如果在检定的过程中按下“暂停检定”，则进入暂停检定，显示稳定状态，风机及阀门保持原有状态。在停止检定状态或暂停检定状态下，重新点击“开始检定”，则原有检定的数据清除，从第一点重新检定。喷嘴控制具有手动和自动两种操作模式。手动时，每次可以开启或关闭一个喷嘴。指示变成亮绿色表明喷嘴已经打开。自动时，根据所设置的流量自动开启一组喷嘴。系统在喷嘴控制手/自动切换的同时，关闭已打开的喷嘴阀门恢复至初始状态。
结语：
本文阐述了临界流文丘里喷嘴检定装置的工作原理、实现功能和结构框架。装置根据检定流量的大小,选择不同的气动阀及不同标准喷嘴的组合动作以实现装置的瞬时流量调节。为了实现自动化计量，依照JJF1240-2010《临界流文丘里喷嘴气体流量校准装置校准规范》和GB/T2188-2007《临界流文丘里喷嘴测量气体流量》设计了一整套喷嘴检定系统（包括气体喷嘴上位机软件和PLC控制柜硬件）。经测试，所研发的喷嘴装置可以实时采集仪表参数，实现气体流量计的自动化检定，降低了仪表检定的劳动强度，同时达到了流量计量检定的准确度要求。
参考文献
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