音速喷嘴气体流量标准装置的误差分析

　　由于音速文丘利喷嘴具有结构简单、体积小、性能稳定、重复性好、精度高等优点,被作为气体流量传递标准,在国内外得到广泛的应用。下面主要以常压法为例分析其工作原理和误差来源。

　　1　音速文丘利喷嘴气体标准装置的工作原理

　　常压法音速文丘利喷嘴气体标准装置如图1所示。用8只不同规格的标准喷嘴并联,有3种管径法兰连接被校仪表,通过电磁阀根据流量大小选定不同的喷嘴组合,可产生255种不同流量。

　　工作过程:打开压缩机和真空泵,操作者输入所需参数,计算机根据设定流量大小自动打开相应的喷嘴开关,等待流量稳定(p5/p1<0.8)以后,计算机通过数据采集卡定时采集温度和压力等模拟信号和脉冲量,计算出流过被校表的质量流量和工作状态及标准状态下体积流量、被校表测量的流量值,二者比较可得出被校表的流量系数、线性误差、重复性误差和准确度。其中,音速文丘利喷嘴的结构形状如图2所示。

　　当p/p0小于或等于临界压比时(由于p不容易测量,通常用压力比ps/p0判断),气体通过喷嘴最小截面处(喉部)的流速达到当地音速,而且始终保持此速度不变,即马赫数等于1。所以其流量只与上游压力有关而与下游压力无关,流出系数只与雷诺数有关,因此就可以达到很高的测量准确度。此时,用音速文丘利喷嘴测量的气体质量流量为

　　式中:qm为音速喷嘴在实际条件下的质量流量;A为音速喷嘴喉部的内截面积;p0为音速喷嘴入口的气体滞止绝对压力;T0为音速喷嘴入口的气体滞止绝对温度;C′为实际气体的临界流函数,由滞止条件(p0,T0)查表得到;C为流出系数,是对“一维、等熵流动”这种假设的修正;M为实际气体的摩尔质量。

　　2　误差分析

　　根据式(1),整个装置的不确定度为

　　2.1　流出系数C

　　流出系数,是对“一维、等熵流动”这种假设的修正。实验表明,C只是雷诺数Red的函数,ISO9300给出的流出系数经验公式[2]为

　　式中:Red为音速喷嘴喉部雷诺数;d为音速喷嘴喉部内径;μ0为气体在滞止条件下的动力粘度;a,b,n的数值按不同种类的文丘利喷嘴和雷诺数范围而不同。

　　式(3)是根据一些实验资料拟合而成的,按此公式求出的流出系统的相对误差为±0.5%。如用PVTt法气体标准装置实标,其相对误差可≤±0.2%。在本装置中,我们采用PVTt法气体标准装置实标,EC=±0.2%。

　　2.2　临界流函数C′

　　实际气体的临界流函数不但与滞止压力、温度有关,而且与气体组份有关。由于在常温、常压附近,临界流函数变化很小,通常用一常数表示。