低雷诺数临界流喷嘴的校准不确定度评定

　　临界流喷嘴具有结构简单、免维护、长期稳定性好等优点,常作为气体流量标准装置中的标准表,用以对其他类型的流量计进行量值传递[1]。特别是在膜式燃气表制造业,以低雷诺数临界流喷嘴为标准表的检定装置,得到了前所未有的推广应用。检定临界流喷嘴的主要装置是PVTt法气体流量标准装置[2]。德国PTB (德国技术物理研究院)设计钟形活塞、双活塞式流量校准器,开展对低雷诺数喷嘴流量特性的研究[3]。也有选用标准湿式气体流量计、高精度钟罩式气体流量标准装置检定喷嘴[4]。浙江省计量科学研究院设计气体活塞式校准器,专用于检定低雷诺数临界流喷嘴。两年多来检测五百余个临界流文丘里喷嘴,在理论和实践诸多方面积累了丰富的经验。

　　1　校准器结构与工作原理

　　活塞式校准器体积标准通常有两种结构形式。一种是气缸内径与盘形活塞位移的乘积作为体积标准[5],另一种是柱形活塞外径与其位移的乘积作为体积标准。图1所示校准器为柱形活塞式校准器。由步进电机、精密丝杆、流向指示器、流量控制器、活塞、气缸以及温度、压力和湿度传感器、计算机与控制软件等组成。校准器活塞名义体积40L,活塞外径360mm,最短测量时间30s,最大体积流量5m3/h。校准器扩展不确定度Ur=0·05% (k=2)。校准器工作原理是:被检流量表与气缸串联连接,步进电机根据检定设置参数,以一定速度,即流量运动,同步记录被检表的示值和活塞位移,经简单计算可得检测结果。

　　2　流出系数校准

　　2·1　校准方法及数学模型

　　首先启动真空泵,气体经旁路管上的流向指示器、流量控制阀进入气缸,再经喷嘴从真空泵出口回流到大气。当喷嘴背压比小于该喷嘴的临界压力比,此时流过喷嘴的质量流量达到最大。依据喷嘴的名义流量,设定活塞运动速度,活塞运动数秒后关闭流量控制阀(使气缸成独立封闭系统),作适当延时,开始计时、测量压力、温度和湿度,计算机按数学模型,即时给出喷嘴流出系数及相关校准参数。活塞运动到预定位置时停止测量,流量控制阀打开,一次校准结束。校准过程中,若缸内压力增加,说明活塞运动速度过快,反之运动速度过慢。信息反馈后修正下一次活塞运动速度。用活塞的体积置换缸内减少的气体体积,以维持气体压力不变。根据流体力学质量守恒原理,气缸内活塞置换的气体质量流量qs等于流过临界流喷嘴的气体质量流量qm:

式中: VG为活塞运动前气缸内空间体积(含管路空间体积); S为活塞截面积; L为计时开始时刻活塞的初始位置; t为测量时间; H为t时间内活塞的位移;ρ1、ρ2分别为计时开始和计时停止时刻的缸内气体密度。