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音速喷嘴法气体流量标准装置的基本原理

发布时间:2020-04-30 08:48    浏览次数 :

日前,福建省计量院建设的负压法音速喷嘴法气体流量标准装置通过国家质检总局组织的计量标准现场考核。该装置的通过为福建省气体流量检测提供了技术支撑,提升技术水平。  据悉,负压法音速喷嘴法气体流量标准装置该装置的流量范围(0.5~16000)m3/h,被检表口径DN(10~500)mm,相对扩展不确定度Ur=0.25%(k=2),是目前全国质监系统流量范围最大的负压法音速喷嘴法气体流量标准装置。装置现场一装置现场二 负压法音速喷嘴气体流量标准装置在国内外普遍用于检测气体流量计。该装置通过配套多个操作台位.组合采用多个音速喷嘴作为标准表的方式实现宽量程流量检测范围。考虑了温度、压力等影响因素,提高了检测的准确度。同时采用先进真空发生设备以保证特小流量检测的准确性。实验表明.该标准装置能满足各类流量计的检定.具有一定的现实意义。  由于音速喷嘴具有结构简单、性能稳定、体积小、没有可动部件和准确度等级较高等特点,将其作为实验室离线气体流量标准和在线天然气计量标准的用户日益增加。负压法音速喷嘴气体流量标准装置在流量范围、准确度、适应性、耐用性、经济性以及运行与维护方面都具有明显的优越性。但同时应该考虑到,在开展检定/校准过程中,环境条件、温度压力的测量、人员的操作水平以及设备的维护保养等因素都会影响到测量结果的准确度,当然在提高装置的稳定性,降低测量结果的不确定度方面还有许多问题需要注意。装置应该摆放在空间足够大、干净清洁等温度条件较好的实验室中,在检定环境条件中的温度、相对湿度、大气压力、电源、外界磁场、机械振动和噪声满足相应检定规程的要求,检定用气体(通常为空气)的过程参数,特别是温度和压力方面的变化率不超过规程的要。  该标准装置的建成,填补了福建省在大口径、大流量气体流量计量检测方面的空白,将为各类气体流量计的检定、校准提供有力的技术支撑和保障,进一步提升福建省气体流量计量技术水平。   标签: 气体流量

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1引言

引 言 标准表法流量标准装置的方法很多,下面介绍一种用音速文丘利喷嘴作标准表的气体流量标准装置。与用其它流量计作为标准表相比,用音速喷嘴作为标准表具有很多优点,如结构简单、性能稳定、准确度高、无可动部件、维护方便、检定周期长(五年)等等。音速喷嘴法气体流量标准装置适用于对各种气体流量计的检测和校准, 可以检测质量流量计、速度式流量计、容积式流量计、转子流量计、差压式流量计或其它种类的流量计。 装置结构 音速喷嘴法气体流量标准装置的结构如图1所示。对于流量比较大的标准装置,需选用水环式真空泵,因此还需冷却塔、离心泵、地下水池、消音器。为了调整入口气体流场和降低噪音,还应在入口处安装喇叭形入口。被检表的前后直管段应足够长。此外,还应配备配电柜、计算机、夹表器、控制系统和数据采集系统。

随着国民经济的发展,工业、民用及国防等部门对气体流量测量的介质种类、状态参数、流量范围、测量准确度等提出了更高的要求。特别是,西气东输,各大城市的煤气管道化,各大油田民用天然气的商品化等政策的实施,使气体的计量受到越来越多的重视。但是,现在气体计量仪表的品种不全,准确度还不高,特别是大口径、大流量的气体计量还存在很多问题。所以,发展气体流量仪表已成为我国流量计量仪表发展的重点,而建立高准确度的流量标准装置是进行流量计研究和制造的基础。

  1. 真空泵 2.储气罐 3. 汇流管(容器) 4.开关阀 5. 音速文丘利喷嘴 6. 滞止容器温度计 7. 滞止容器压力计 8.滞止容器 9.流量调节阀 10.被检表后温度计 11.被检流量计 12.被检表前压力计图1 音速喷嘴法气体流量标准装置

2音速文丘利喷嘴气体流量标准装置的结构原理

检定原理 如图1所示, 用真空泵1将空气由被检表的上游直管段入口吸入,经过被检表前直管段、被检表11和被检表下游直管段进入滞止容器8,在滞止容器的下游,有一组音速喷嘴5,控制音速喷嘴下游的开关阀门4,可以任意选择所要开关的音速喷嘴,以达到改变被检表流量的目的,滞止容器需要测温6测压7,代入公式计算可以得到通过音速喷嘴的质量流量,亦即通过被检表处的质量流量。通过测量被检表处的温度10和压力12,可以计算出空气密度,进而得到标准体积流量。流量调节阀9一般只用于开关,也可作为调节流量的辅助手段。在进行小流量检定时,可以不用开启真空泵,只要储气罐2的真空度能够满足要求即可。真空泵的能力应满足下列两个条件:第一,真空泵所提供的流量应大于被检流量计的最大流量;第二,在测量过程中,真空泵所提供的真空度应满足音速喷嘴的临界压力比。 流量计算公式 1.临界压力比及其计算公式当气流处于亚音速时,喉部的气体流速将随节流压力比(即出口压力P1与上游滞止压力P0之比)的减小而增大。当节流压力比减小到一定值时,喉部流速达到最大流速----音速,即达到所谓的临界流,此时,如果P0不变,再减小P1(即再减小节流压力比)流速将保持不变,也就是说,流速不再受下游压力的影响。此时的文丘利喷嘴称为音速文丘利喷嘴,又称临界流文丘利喷嘴,此时的节流压力比称为临界压力比。在理想条件下,即气流是一维流动、等熵、完全气体,则从理论上可导出临界压力比的计算公式: 式中,k----气体等熵指数,对于完全气体,k等于比热比。对于空气,k=1.4,则(P1 /P0)= 0.5282.理想条件下的质量流量 在理想条件下, 音速文丘利喷嘴的质量流量公式:式中,qmi ---- 音速文丘利喷嘴在理想条件下的质量流量(kg/s)A* ---- 音速文丘利喷嘴的喉部面积(m2)C*i ---- 气体在理想条件下的临界流函数P0 ---- 音速文丘利喷嘴前的气体滞止绝对压力(Pa)T0 ---- 音速文丘利喷嘴前的气体滞止绝对温度(K)RM ---- 气体常数(J/(kg×K)),对于空气,R=287.1 3.实际条件下的质量流量 在实际条件下, 音速文丘利喷嘴的质量流量公式:式中,qm ---- 音速文丘利喷嘴在实际条件下的质量流量(kg/s)C*---- 气体在实际条件下的临界流函数,假定气体为一维、等熵流动, 利用实际气体的热力学性质表,可用计算机计算出来。C ---- 流出系数,C是对“一维、等熵流动” 等假设条件的修正。C只是雷诺数Red的函数。式中,Red ----音速文丘利喷嘴的喉部雷诺数(无量纲) d ---- 音速文丘利喷嘴的喉部直径(m) m0 ---- 气体在滞止条件下的动力粘度(kg/(m×s)从式(4)中可以看出,只要用试验的方法求得流出系数C,就可按测得的滞止压力P0和滞止温度T0(由查表可得C*)计算出质量流量qm。 装置流量范围的选择方法和确定 根据音速喷嘴的流量计算公式(式(4))可知,在临界条件下,改变音速喷嘴的滞止压力值,则可改变通过音速喷嘴的质量流量值。实际上,是通过调节压力调节阀来调节流量。同样,也可通过改变流通面积来改变流量,即通过若干个音速文丘利喷嘴的组合,或设计时将某一个音速喷嘴的面积增大来达到所需要的流量。在设计高压或常压式音速喷嘴法气体流量标准装置时,都可以采用这种方法。装置流量范围和流量点的选择原则:第一,选择该装置主要检定的流量计(如涡街流量传感器或涡轮流量计)的流量范围。第二,根据JJG198-1994《速度式流量计检定规程》规定的流量检定点, 选择音速文丘利喷嘴的流量及数量。(end)

由于气体流量受其温度、压力、湿度及其性质的影响比液体较为明显,因此,为检定不同种类的气体流量计所建立的标准装置种类繁多,使用较普遍的有PVTt法、标准体积管法、钟罩法、音速喷嘴法等。其中,PVTt法和标准体积管法为一级标准装置,通常仅有流量仪表研究机构和计量部门设置,用来校验音速喷嘴等标准流量计。钟罩法和音速喷嘴法为传递标准装置。钟罩法主要适用于小流量(<10m2/s)、低差压(<3kPa)和小管径(<Φ50)的气体流量仪表的检定。对于油田、石化、天然气等工业测量范围,大多采用音速喷嘴法。 音速文丘利喷嘴气体标准装置有如下优点:

(1)作为标准流量计,它既可以在线标定亦可以离线标定各种气体流量计;

(2)它可在高压、低压、负压标定各种气体流量计;