临界流文丘利喷嘴法气体流量标准装置的研制

　　0　前言

　　气体流量标准装置可分为一级气体流量标准装置和次级气体流量标准装置两种。一级气体流量标准装置如钟罩式气体流量标准装置、PVTt法气体流量标准装置和Mt法气体流量标准装置;次级气体流量标准装置如以临界流文丘利喷嘴作为标准表的气体流量标准装置或以其它流量计为标准表的气体流量标准装置。本文介绍的即以临界流文丘利喷嘴作为标准的负压法气体流量标准装置。

　　1　装置的结构组成

　　临界流文丘利喷嘴法气体流量标准装置(以下简称装置)由4部分组成。第一部分为气源部分,即水环式真空泵,稳压罐等。第二部分为标准部分,主要由滞止容器和安装在滞止容器内的11块临界流文丘利喷嘴(以下简称喷嘴)以及测量喷嘴上游的压力变送器和温度变送器、调节喷嘴流量的阀门等组成。第三部分为安装被检流量计的试验管道部分,这部分主要由被检流量计的前后直管段、气动伸缩器、被检表的测温和测压仪表等。第四部分为微机数据处理部分,这部分主要包括工控计算机、控制柜和打印机等。

　　2　装置的原理

　　2·1　临界流文丘利喷嘴的基本原理

　　如前所述,第一部分滞止容器内的临界流文丘利喷嘴(以下简称喷嘴)为整套装置的核心部分。如图1所示,喷嘴是个孔径逐渐减小的流道,孔径最小的部分称为喷嘴的喉部,在喉部的后面有孔径逐渐扩大的流道。喷嘴与亚音速喷嘴(喉部流速低于音速)的主要区别为亚音速喷嘴的流量不仅与上游压力有关而且与下流压力有关,流出系数不仅与雷诺数有关还与马赫数有关,所以准确度提高很困难。而上述的喷嘴,由于喉部气流速度达到音速,马赫数等于1,因此流量只与上游压力有关,流出系数只与雷诺数有关。适合作为流量标准使用

　　2·2　数学模型

　　2·2·1　理想条件下的流量

　　在理想条件下,理论上可以导出喷嘴的流量公式,即

　　式中,qmi为喷嘴在理想条件下的质量流量;A*为喷嘴喉部的内截面积;R为气体常数;P0为喷嘴前的气体滞止压力;T0为喷嘴前的气体滞止温度;C*i为理想条件下的临界流函数:

　　式中,r为比热比。

　　2·2·2　实际条件下的流量

　　式中,q _m 为喷嘴在实际条件下的质量流量;C*为实际气体的临界函数,是假定气体为一维等熵流动的条件下,利用真实气体的热力学性质表计算出来;C为流出系数,是对“一维、等熵流动”这种假设条件的修正。实验表明:C只是雷诺数Red的函数。