音速噴嘴法氣體流量計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

葛穎奇 毛謙敏 鄭慧峰 黃智慧

(中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量測試工程學(xué)院1，浙江 杭州 310018;浙江蒼南儀表廠2，浙江 溫州 325800)

0 引言

面對國內(nèi)外能源危機(jī)的挑戰(zhàn)，氣體流量計(jì)量受到人們越來越多的重視，氣體流量儀表的使用也愈加廣泛，故發(fā)展氣體流量儀表已成為我國流量計(jì)量儀表發(fā)展的重點(diǎn)。為保證氣體流量儀表的質(zhì)量和使用時(shí)的準(zhǔn)確度，計(jì)量法將氣體流量計(jì)、蒸汽流量計(jì)均列入強(qiáng)制檢定范圍。因此，氣體流量計(jì)在出廠或使用前，必須在標(biāo)準(zhǔn)裝置上對其標(biāo)稱的計(jì)量性能進(jìn)行測試或檢定［1－2］。

采用音速噴嘴法的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，以其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高和維護(hù)方便等特點(diǎn)，在氣體流量計(jì)檢定和校準(zhǔn)中得到廣泛的應(yīng)用［3］。自20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外許多單位開展了對音速噴嘴的研究，并在一些部門取得成功應(yīng)用;同時(shí)，基于音速噴嘴的氣體流量計(jì)檢定裝置不斷應(yīng)用于實(shí)踐生產(chǎn)中，使得音速噴嘴漸漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)［4－5］。目前，音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置已成為開展氣體流量計(jì)量的主流標(biāo)準(zhǔn)裝置，全國范圍內(nèi)已擁有大量采用音速噴嘴法的標(biāo)準(zhǔn)裝置［6－7］。

基于音速噴嘴的標(biāo)準(zhǔn)裝置有正壓法和負(fù)壓法之分。負(fù)壓法直接用大氣作為氣源，雖然檢定流量范圍受到限制，但具有氣體流量穩(wěn)定、投資少、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，因而得到普遍的應(yīng)用［8］。因此，我們確定采用負(fù)壓法設(shè)計(jì)基于音速噴嘴的氣體流量計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 音速噴嘴的工作原理

音速噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 音速噴嘴結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of sonic nozzle

圖1中，孔徑最小的部分稱為噴嘴的喉部，在喉部的后面有孔徑逐漸擴(kuò)大的流道。其中，P1為音速噴嘴的下游出口背壓，P0為音速噴嘴的上游入口滯止壓力，兩者的比值P1/P0為節(jié)流壓力比β。

空氣動(dòng)力學(xué)理論表明［9］，保持噴嘴上游的滯止壓力不變，不斷降低噴嘴的出口背壓，開始時(shí)噴嘴流量不斷增加，但當(dāng)噴嘴出口背壓降到某一值時(shí)，噴嘴喉部流速達(dá)到音速，通過噴嘴的流量將達(dá)到最大，進(jìn)一步降低出口背壓將不能使噴嘴的流量增加，此時(shí)的狀態(tài)稱為臨界流狀態(tài)。通過噴嘴的流量剛剛達(dá)到最大時(shí)，噴嘴出口背壓稱為臨界背壓，它與滯止壓力之比稱為臨界背壓比。只有在節(jié)流壓力比β低于臨界背壓比時(shí)，通過噴嘴的流量才能保持穩(wěn)定。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理

標(biāo)準(zhǔn)裝置由音速噴嘴容器裝置系統(tǒng)、真空負(fù)壓站、數(shù)據(jù)采集及工控機(jī)控制系統(tǒng)組成。裝置采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 9300中的音速噴嘴作為標(biāo)準(zhǔn)表，工作方式為吸氣式、負(fù)壓標(biāo)定，直接以大氣作為氣源。檢定裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 檢定裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the calibration system

各檢定管道上裝有溫度、壓力變送器，用于采集流量計(jì)處的溫度和壓力信號。滯止容器里裝有采集噴嘴滯止溫度、壓力信號的溫度變速器和壓力變送器。匯合容器內(nèi)裝有采集噴嘴背壓的壓力變送器。真空負(fù)壓站使噴嘴工作在臨界流狀態(tài)下。根據(jù)連續(xù)性原理，通過被檢流量計(jì)的氣體質(zhì)量流量一定等于通過噴嘴的氣體質(zhì)量流量。工控機(jī)控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由噴嘴滯止溫度、壓力得到質(zhì)量流量，再由環(huán)境溫度、大氣壓力、流量計(jì)處溫度壓力算出氣體在流量計(jì)處密度，從而得到氣體在流量計(jì)處的實(shí)際體積流量，即標(biāo)準(zhǔn)體積流量，然后和流量計(jì)測得的流量進(jìn)行對比，根據(jù)檢定規(guī)則得出檢定結(jié)果。

1.3 流量計(jì)算

由理想氣體的一維、等熵流動(dòng)理論可得，流過音速噴嘴的氣體質(zhì)量流量qm為:

式中:d為噴嘴的喉部直徑;Cd為噴嘴的流出系數(shù);C*為臨界流函數(shù);P0、T0為噴嘴入口處的滯止壓力和滯止溫度;R為通用氣體常數(shù);M為氣體的摩爾質(zhì)量。氣體在流量計(jì)處密度ρm為:

式中:ρn為環(huán)境條件下大氣密度;Pm、Tm為被檢流量計(jì)處壓力和溫度;Pn、Tn為環(huán)境條件下大氣壓和環(huán)境溫度。由于通過被檢流量計(jì)的氣體質(zhì)量流量等于通過噴嘴的氣體質(zhì)量流量，所以氣體在流量計(jì)處的體積流量qv(單位:m3/s)為:

1.4 濕度修正

對于負(fù)壓法裝置，檢定中使用的是未干燥的濕空氣，而計(jì)算流量時(shí)使用的參數(shù)卻是干空氣的參數(shù)。因此，需要對計(jì)算流量進(jìn)行修正［10－12］。經(jīng)濕度修正的氣體質(zhì)量流量q'm為:

式中:φ為空氣的相對濕度;P為當(dāng)?shù)卮髿鈮?PH為空氣中水蒸氣的飽和蒸汽壓。

經(jīng)濕度修正的氣體在流量計(jì)處的密度ρ'm為:

經(jīng)濕度修正的氣體在流量計(jì)處的體積流量q'v為:

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以工控機(jī)為核心，采集溫度、壓力、濕度等信號，控制噴嘴及真空泵等硬件設(shè)備。工控機(jī)通過數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對9個(gè)不同通徑的流量計(jì)的自動(dòng)標(biāo)定，得出檢定結(jié)果，檢定數(shù)據(jù)入庫以備查詢。

2.1 硬件部分設(shè)計(jì)

硬件部分主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制功能，可采集檢定所需的噴嘴滯止溫度壓力、噴嘴背壓、流量計(jì)處溫度壓力、大氣溫度壓力和濕度等信號，并控制相關(guān)設(shè)備的開關(guān)動(dòng)作。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集部分包括采集滯止容器溫度壓力、匯合容器壓力、大氣壓力溫度和濕度、被檢流量計(jì)處溫度壓力、被檢流量計(jì)處壓損、被檢流量計(jì)頻率信號、被檢流量計(jì)的模擬輸出量。數(shù)據(jù)采集過程中，共需采集3～30 V脈沖量1路，4～20 mA模擬量15路(含7路壓力、6路溫度、1路濕度、1路流量計(jì)模擬輸出量)。系統(tǒng)采用PCIe-6320多功能數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號采集。該卡具有分辨率為16位的16路模擬輸入，可對壓力溫度等模擬量進(jìn)行采集;并有4路32位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，可對流量計(jì)頻率信號進(jìn)行采集。

2.1.2 控制部分

控制部分包括控制檢定管道切換、噴嘴閥門開關(guān)和水環(huán)式真空泵開關(guān)。系統(tǒng)需根據(jù)不同的流量點(diǎn)對4臺(tái)水環(huán)式真空泵和16個(gè)噴嘴的開關(guān)進(jìn)行控制并檢測其開關(guān)狀態(tài)，檢定管道切換時(shí)需控制相應(yīng)的采集信號切換。系統(tǒng)采用PCI-1762輸入輸出卡和ADAM 4055隔離數(shù)字量輸入輸出模塊進(jìn)行控制。PCI-1762是一款PCI總線的繼電器輸出及隔離數(shù)字量輸入卡，它提供了16路光隔離數(shù)字量輸入，并帶有16個(gè)單刀雙擲繼電器，可用作開關(guān)控制和狀態(tài)檢測。水環(huán)式真空泵和其他一些輔助設(shè)備的開關(guān)控制和狀態(tài)檢測采用PCI-1762。ADAM 4055提供8路隔離數(shù)字量輸入和8路隔離數(shù)字量輸出。系統(tǒng)采用5個(gè)ADAM 4055模塊控制檢定管道切換和16個(gè)音速噴嘴的開關(guān)及其狀態(tài)檢測。ADAM 4055采用RS-485通信方式。系統(tǒng)采用ADAM 4520模塊進(jìn)行RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換，由工控機(jī)串口進(jìn)行通信并發(fā)送上位機(jī)控制指令。

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)選用研華工控機(jī)，以控制數(shù)據(jù)采集并處理采集數(shù)據(jù)，并在上位機(jī)軟件中對檢定參數(shù)進(jìn)行設(shè)定及對檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。上位機(jī)軟件在VC++環(huán)境下設(shè)計(jì)開發(fā)，檢定完成后數(shù)據(jù)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。

上位機(jī)系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 上位機(jī)系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of the host computer system

開始檢定前，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊進(jìn)行傳感器參數(shù)的設(shè)置和恢復(fù)，檢定信息錄入模塊用于操作者輸入檢定所需參數(shù)。開始檢定后，根據(jù)設(shè)定的流量大小自動(dòng)打開所需的噴嘴閥門，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集部分采集處理溫度、壓力等信號，計(jì)算出流過被檢流量計(jì)的質(zhì)量流量和工作狀態(tài)及標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，并與被檢流量計(jì)測得的流量值比較，得出被檢流量計(jì)的流量系數(shù)、線性誤差、重復(fù)性誤差和準(zhǔn)確度。檢定完成后，檢定結(jié)果存入SQL Server數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)查詢和報(bào)表打印功能。設(shè)計(jì)用戶登錄界面時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)登錄用戶的屬性分配相應(yīng)的人員管理操作權(quán)限。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 檢定流程

檢定過程中，首先打開水泵，待有信號反饋時(shí)再打開真空泵，設(shè)定檢定方式和參數(shù)后開始檢定。檢定流程如圖4所示。

圖4 檢定流程圖Fig.4 Flowchart of calibration

檢定開始后，系統(tǒng)自動(dòng)檢測一次室溫和環(huán)境相對濕度，且每隔0.5 s檢測一次流量計(jì)處壓力和溫度、噴嘴滯止壓力和溫度以及噴嘴出口背壓，并每隔3 s對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行刷新顯示，便于操作人員掌握更多的檢定信息，以便及時(shí)對異常狀態(tài)進(jìn)行排查。在檢定數(shù)據(jù)返回以后，由上位機(jī)對檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并計(jì)算出被檢流量計(jì)的儀表系數(shù)和重復(fù)性。

按被檢流量計(jì)的形式和檢定的方法，系統(tǒng)依照規(guī)定的表格形式自動(dòng)生成流量計(jì)檢定記錄單，并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中，便于數(shù)據(jù)查詢、調(diào)用和打印輸出。按事先約定的流量計(jì)最大允許誤差，系統(tǒng)自動(dòng)判定被檢流量計(jì)是否合格，并結(jié)合相應(yīng)的操作，根據(jù)系統(tǒng)判定的結(jié)果，按規(guī)定格式打印輸出被檢流量計(jì)檢定證書。

3.2 檢定結(jié)果

結(jié)合A類儀表檢定，取2個(gè)精度為2.5級的流量計(jì)來進(jìn)行檢定試驗(yàn)，流量計(jì)1的流量范圍為320～6500 m3/h，流量計(jì)2的流量范圍為32～650 m3/h。

① 流量計(jì)1分別在流量值為6500、2600、1300和320(單位:m3/h)的4個(gè)流量點(diǎn)上進(jìn)行標(biāo)定，每個(gè)點(diǎn)的檢定次數(shù)為3次，檢定結(jié)果如表1所示。

② 流量計(jì)2分別在流量值為650、260、130和32(單位:m3/h)的四個(gè)流量點(diǎn)上進(jìn)行標(biāo)定，每個(gè)點(diǎn)的檢定次數(shù)為2次，檢定結(jié)果如表2所示。

兩個(gè)被檢流量計(jì)的檢定結(jié)果對比如表3所示。由表3可知，流量計(jì)1的直線度誤差大于2.5%，因此，流量計(jì)1判定不合格，流量計(jì)2判定合格。多次試驗(yàn)證實(shí)系統(tǒng)工作穩(wěn)定、操作簡單，提高了檢定效率和精度。

表1 流量計(jì)1的檢定結(jié)果Tab.1 Calibration results of flowmeter#1

表2 流量計(jì)2的檢定結(jié)果Tab.2 Calibration results of flowmeter#2

表3 檢定結(jié)果對比Tab.3 Comparison of the calibration results

4 結(jié)束語

基于音速噴嘴的負(fù)壓法氣體流量計(jì)檢定系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集與檢定過程的自動(dòng)控制;上位機(jī)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出檢定結(jié)果，并把檢定信息入庫保存;軟件界面友好、直觀，便于使用。實(shí)際應(yīng)用中的檢定結(jié)果表明，本裝置在保證檢定精度的前提下，減少了人為操作，大大提高了檢定效率。

［1］趙立，張明理，許新淮.臨界流文丘里噴嘴法檢定氣體流量計(jì)的應(yīng)用與研究［J］.中國儀器儀表，2006(6):33－37.

［2］吳博，黃詠梅，毛謙敏，等.鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置自動(dòng)檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，17(4):268 －271.

［3］于華偉，張永勝，劉彥軍，等.正壓法音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的建立［J］.計(jì)測技術(shù)，2008，28(z):113 －115.

［4］梁國偉，周寧寧，李長武.臨界流文丘里噴嘴流量計(jì)的原理與應(yīng)用［J］.中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，15(3):186 －190.

［5］馮潔，程佳，梁國偉.柱塞式校準(zhǔn)器檢定臨界流噴嘴的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，21(2):108 －112.

［6］朱永宏，師恩潔，暴冰.音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)方法的研究［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2008，29(5):416 －419.

［7］張見錄，鐘艷，李冬梅，等.音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2005，27(6):978 －979.

［8］黃立中.采用音速噴嘴的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置［J］.中國測試技術(shù)，2005，31(3):50 －52.

［9］李春輝，彭曉峰，李啟明，等.微小流量測量音速噴嘴的流動(dòng)特性［J］.熱科學(xué)與技術(shù)，2008，7(3):236 －240.

［10］Aschenbrenner A.The influence of humidity on the flowrate of air through critical flow nozzles［C］∥The International Conference on Flow Measurement-Flomeko 1983，Budapest，Hungary，1983:71 －74.

［11］王斌.音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置介紹及誤差分析探討［C］∥2006年全國流量測量學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，河南，鄭州，2006:69－78.

［12］Britton C L，Caron R W and Kegel T.The critical flow function C for humid air［C］∥ － FEDSM，Washington DC，USA，1998:5309.