民用飛機環境控制試驗室流量校準裝置設計

李德慶　戴錚

【摘 要】流量校準裝置是環境控制試驗室必不可少的組成部分。本文結合民用飛機環境控制試驗室實際情況，分析了環控系統試驗所需流量校準裝置的技術要求，建立了一套適用于環境控制試驗室的音速噴嘴法氣體流量校準裝置。

【關鍵詞】民用飛機；環控系統；流量校準

0 引言

流量校準裝置是環境控制試驗室必不可少的工藝設備，其主要作用是對流量計的測量誤差進行判定，以保證流量計的精確性和可靠性。流量計的測量精度、可靠性直接關系到試驗結果的精度和準確度，因此需要通過流量校準裝置來標定流量計的精度。

在開展環控系統試驗室試驗時，需要使用到大量的流量計來測量氣體流量。試驗中的氣體流量計需要經常拆卸，但是很多流量計重新安裝后，由于安裝角度的變化，其測量精度可能將會發生變化，為了判定安裝在管路上的流量計的測量正確性，需要通過流量校準裝置對流量計的測量誤差進行判定，以保證流量計的正確性。

此外，飛機上的流量測量裝置由于受限于直管段不足的限制，往往不能按照理論公式進行流量計算，需要通過流量校準裝置對飛機上的流量測量部件和前后管路一起進行流量標定，計算出系統的流量計算公式，作為飛機設計的依據。

環控系統試驗室試驗中使用到的流量計種類多、流量大，在試驗中，拆卸一次流量計就進行一次計量標定是不現實的。所以需要在試驗室中建設流量校準裝置，以方便試驗工作的快速開展。

1 技術要求

1.1 可檢測流量范圍

根據環境控制試驗室單根供氣管路的最大流量（10000kg/h）以及后續型號發展的需要，確定流量校準裝置的最大檢測流量為12000kg/h。最小檢測流量為50kg/h，主要用于低壓供氣管路的流量計校準。流量校準裝置的可檢測流量范圍為：50kg/h-12000kg/h。

1.2 可檢測管路口徑

校準裝置采用換管式實現不同管路的切換，根據試驗室的檢測流量范圍，擬定流量校準裝置配置的常用檢測管路口徑為：DN50、DN100、DN150、DN200四種，若試驗室需要校準其他口徑的流量計，可通過轉接頭實現被試件的連接。

1.3 被檢測介質要求

根據環控試驗需求，流量計測量的氣體溫度范圍為-60℃～+550℃。若要滿足此要求，流量校準裝置需設置加熱裝置和制冷裝置、所有部件需采用耐高溫及耐低溫材料等，將導致價格嚴重超出預算。所以擬采用常溫校準方式，即被檢測介質溫度為-10℃～+50℃的干空氣；介質壓力低于0.8MPa以下，對于不在該范圍內工作的流量計，校準裝置需能自動進行溫壓補償，以降低因為溫度壓力不同導致的誤差。

1.4 裝置不確定度

根據流量計的量值傳遞，要滿足試驗室流量計的精度需求，流量校準裝置的不確定度需優于0.5%。

1.5 現有資源

環控試驗室已有總流量達20000kg/h的低壓干燥壓縮空氣，氣源儲氣罐出口壓力范圍為0.8MPa～0.9MPa（表壓）。

2 技術方案

通過調研國內相關廠家，流量校準裝置大多采用音速文丘利噴嘴作為計量傳遞的關鍵設備。這主要是因為音速噴嘴重復性好、工作特性穩定、結構簡單、準確度高、無可動部件、維護方便、檢定周期長（五年）等優點。所以環境控制試驗室也將采用音速噴嘴法設計該校準裝置。

2.1 裝置組成及原理

音速噴嘴法氣體流量校準裝置分為正壓和負壓兩種方式。負壓法是在音速噴嘴下游通過真空泵產生噴嘴上下游壓差，使得噴嘴喉部達到臨界流條件來獲得流經噴嘴的流量恒定，被測件位于噴嘴的上游。正壓法是在音速噴嘴上游通過壓縮空氣產生噴嘴上下游壓差，使得噴嘴喉部達到臨界流條件來獲得流經噴嘴的流量恒定，被測件一般位于噴嘴的下游。具體采用哪種方式，取決于建設單位已有的配套設施，如果已有滿足校準裝置使用的氣源系統，則采用正壓法可以降低投資。由于環控試驗室已有大容量氣源系統，故該建設項目選用正壓音速噴嘴法構建氣體流量校準裝置。

正壓法音速噴嘴法氣體流量校準裝置的組成部件包括控制系統、氣源系統、調節閥組、被檢流量計及其夾具、被檢流量計溫度計和壓力計、滯止容器、濕度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、音速噴嘴、出口容器、消音器以及閥門等，結構示意圖如圖1所示。

圖1 流量校準裝置結構示意

裝置工作時，經穩壓系統穩壓后的空氣通過檢定管段和被檢流量計，進入滯止容器，流經臨界流文丘里噴嘴組、出口容器、最后排放到大氣中。根據檢定壓力及流量的大小，穩壓系統輸出一定壓力的氣體，系統自動控制選擇閥門進行不同的噴嘴組合，確定所需的檢定流量。這一壓力能保證流經噴嘴的氣體達到臨界狀態。裝置所復現的氣體流量標準值為：

式中：

qm——裝置所復現的氣體質量流量標準值；

qmi——通過第i個臨界流噴嘴的氣體質量流量；

i——所選擇噴嘴的個數。

在穩定的工況下，流經臨界流噴嘴和被檢流量計的氣體質量流量是相同的。檢定過程中，微機系統自動采集和處理臨界流噴嘴前的氣體滯止壓力和滯止溫度，計算出標準的氣體質量流量或累積流量，并按相關的檢定規程，將它與采集到的被檢流量計的指示值進行比較和計算，即可得到被檢流量計在不同流量點的基本誤差和重復性誤差，從而實現對氣體流量計的檢定。

2.2 裝置檢定管線

直管段采用轉盤式換管器裝夾被檢流量計，可換管口徑為DN50、DN100、DN150、DN200，前直管段≥20D，后直管段≥10D。夾表器安裝于檢定管線入口端，檢定管段出口端引到室外，出口端向上方排放氣體，出口處安裝管道復合式消音器以降低噪聲污染。

由于小流量用的噴嘴喉徑只有幾毫米，為防止壓縮空氣中的油、水成份和塵屑而造成的淤塞，在裝置的上游進氣端須配置過濾器，濾除來自儲氣罐的顆粒物，過濾精度滿足流量校準裝置的使用，以保證輸出潔凈的空氣氣源。

2.3 校準裝置測控系統

為了方便流量校準裝置使用，測控系統采用上、下位機形式。下位機實現現場信號測量及部件控制。上位機采用工業控制計算機，主要完成數據處理、文件管理、數據記錄打印。上位機與下位機之間通過總線通訊傳輸數據。微機檢定軟件能將檢定的各個數據清晰有序的顯示在操作界面上。如噴嘴背壓比實時監視噴嘴是否處于臨界流狀態，確保檢定數據真實、可靠；被檢流量計信號的顯示可以實時顯示流量計的工作情況。通過它可以判斷流量計的接線是否正確、流量是否穩定、工作是否正常。提高檢定的效率，減少不必要的能耗成本。所有閥門的控制，即可以通過現場的控制裝置實現，也可以通過遠程的工控機遠程實現。

校準裝置的所有控制閥門包括開關閥和調節閥均采用電動調節閥。

3 結語

由于音速噴嘴具有重復性好、工作特性穩定、結構簡單、準確度高、無可動部件、維護方便、檢定周期長等諸多優點，使得音速噴嘴法氣體流量校準裝置得到越來越廣的應用。本文結合民用飛機環境控制試驗室實際情況，建立了一套適用于環境控制試驗室的音速噴嘴法氣體流量校準裝置。

【參考文獻】

[1]王池，王自和，張寶珠，孫淮清.流量測量技術全書[M].北京：化學工業出版社，2012，6.

[2]于華偉，張永勝，劉彥軍，白銀.正壓法音速噴嘴氣體流量標準裝置的建立[J].計測技術，2008，28（增刊）：113-115.

[責任編輯：湯靜]

【摘 要】流量校準裝置是環境控制試驗室必不可少的組成部分。本文結合民用飛機環境控制試驗室實際情況，分析了環控系統試驗所需流量校準裝置的技術要求，建立了一套適用于環境控制試驗室的音速噴嘴法氣體流量校準裝置。

【關鍵詞】民用飛機；環控系統；流量校準

0 引言

流量校準裝置是環境控制試驗室必不可少的工藝設備，其主要作用是對流量計的測量誤差進行判定，以保證流量計的精確性和可靠性。流量計的測量精度、可靠性直接關系到試驗結果的精度和準確度，因此需要通過流量校準裝置來標定流量計的精度。

在開展環控系統試驗室試驗時，需要使用到大量的流量計來測量氣體流量。試驗中的氣體流量計需要經常拆卸，但是很多流量計重新安裝后，由于安裝角度的變化，其測量精度可能將會發生變化，為了判定安裝在管路上的流量計的測量正確性，需要通過流量校準裝置對流量計的測量誤差進行判定，以保證流量計的正確性。

此外，飛機上的流量測量裝置由于受限于直管段不足的限制，往往不能按照理論公式進行流量計算，需要通過流量校準裝置對飛機上的流量測量部件和前后管路一起進行流量標定，計算出系統的流量計算公式，作為飛機設計的依據。

環控系統試驗室試驗中使用到的流量計種類多、流量大，在試驗中，拆卸一次流量計就進行一次計量標定是不現實的。所以需要在試驗室中建設流量校準裝置，以方便試驗工作的快速開展。

1 技術要求

1.1 可檢測流量范圍

根據環境控制試驗室單根供氣管路的最大流量（10000kg/h）以及后續型號發展的需要，確定流量校準裝置的最大檢測流量為12000kg/h。最小檢測流量為50kg/h，主要用于低壓供氣管路的流量計校準。流量校準裝置的可檢測流量范圍為：50kg/h-12000kg/h。

1.2 可檢測管路口徑

校準裝置采用換管式實現不同管路的切換，根據試驗室的檢測流量范圍，擬定流量校準裝置配置的常用檢測管路口徑為：DN50、DN100、DN150、DN200四種，若試驗室需要校準其他口徑的流量計，可通過轉接頭實現被試件的連接。

1.3 被檢測介質要求

根據環控試驗需求，流量計測量的氣體溫度范圍為-60℃～+550℃。若要滿足此要求，流量校準裝置需設置加熱裝置和制冷裝置、所有部件需采用耐高溫及耐低溫材料等，將導致價格嚴重超出預算。所以擬采用常溫校準方式，即被檢測介質溫度為-10℃～+50℃的干空氣；介質壓力低于0.8MPa以下，對于不在該范圍內工作的流量計，校準裝置需能自動進行溫壓補償，以降低因為溫度壓力不同導致的誤差。

1.4 裝置不確定度

根據流量計的量值傳遞，要滿足試驗室流量計的精度需求，流量校準裝置的不確定度需優于0.5%。

1.5 現有資源

環控試驗室已有總流量達20000kg/h的低壓干燥壓縮空氣，氣源儲氣罐出口壓力范圍為0.8MPa～0.9MPa（表壓）。

2 技術方案

通過調研國內相關廠家，流量校準裝置大多采用音速文丘利噴嘴作為計量傳遞的關鍵設備。這主要是因為音速噴嘴重復性好、工作特性穩定、結構簡單、準確度高、無可動部件、維護方便、檢定周期長（五年）等優點。所以環境控制試驗室也將采用音速噴嘴法設計該校準裝置。

2.1 裝置組成及原理

音速噴嘴法氣體流量校準裝置分為正壓和負壓兩種方式。負壓法是在音速噴嘴下游通過真空泵產生噴嘴上下游壓差，使得噴嘴喉部達到臨界流條件來獲得流經噴嘴的流量恒定，被測件位于噴嘴的上游。正壓法是在音速噴嘴上游通過壓縮空氣產生噴嘴上下游壓差，使得噴嘴喉部達到臨界流條件來獲得流經噴嘴的流量恒定，被測件一般位于噴嘴的下游。具體采用哪種方式，取決于建設單位已有的配套設施，如果已有滿足校準裝置使用的氣源系統，則采用正壓法可以降低投資。由于環控試驗室已有大容量氣源系統，故該建設項目選用正壓音速噴嘴法構建氣體流量校準裝置。

正壓法音速噴嘴法氣體流量校準裝置的組成部件包括控制系統、氣源系統、調節閥組、被檢流量計及其夾具、被檢流量計溫度計和壓力計、滯止容器、濕度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、音速噴嘴、出口容器、消音器以及閥門等，結構示意圖如圖1所示。

圖1 流量校準裝置結構示意

裝置工作時，經穩壓系統穩壓后的空氣通過檢定管段和被檢流量計，進入滯止容器，流經臨界流文丘里噴嘴組、出口容器、最后排放到大氣中。根據檢定壓力及流量的大小，穩壓系統輸出一定壓力的氣體，系統自動控制選擇閥門進行不同的噴嘴組合，確定所需的檢定流量。這一壓力能保證流經噴嘴的氣體達到臨界狀態。裝置所復現的氣體流量標準值為：

式中：

qm——裝置所復現的氣體質量流量標準值；

qmi——通過第i個臨界流噴嘴的氣體質量流量；

i——所選擇噴嘴的個數。

在穩定的工況下，流經臨界流噴嘴和被檢流量計的氣體質量流量是相同的。檢定過程中，微機系統自動采集和處理臨界流噴嘴前的氣體滯止壓力和滯止溫度，計算出標準的氣體質量流量或累積流量，并按相關的檢定規程，將它與采集到的被檢流量計的指示值進行比較和計算，即可得到被檢流量計在不同流量點的基本誤差和重復性誤差，從而實現對氣體流量計的檢定。

2.2 裝置檢定管線

直管段采用轉盤式換管器裝夾被檢流量計，可換管口徑為DN50、DN100、DN150、DN200，前直管段≥20D，后直管段≥10D。夾表器安裝于檢定管線入口端，檢定管段出口端引到室外，出口端向上方排放氣體，出口處安裝管道復合式消音器以降低噪聲污染。

由于小流量用的噴嘴喉徑只有幾毫米，為防止壓縮空氣中的油、水成份和塵屑而造成的淤塞，在裝置的上游進氣端須配置過濾器，濾除來自儲氣罐的顆粒物，過濾精度滿足流量校準裝置的使用，以保證輸出潔凈的空氣氣源。

2.3 校準裝置測控系統

為了方便流量校準裝置使用，測控系統采用上、下位機形式。下位機實現現場信號測量及部件控制。上位機采用工業控制計算機，主要完成數據處理、文件管理、數據記錄打印。上位機與下位機之間通過總線通訊傳輸數據。微機檢定軟件能將檢定的各個數據清晰有序的顯示在操作界面上。如噴嘴背壓比實時監視噴嘴是否處于臨界流狀態，確保檢定數據真實、可靠；被檢流量計信號的顯示可以實時顯示流量計的工作情況。通過它可以判斷流量計的接線是否正確、流量是否穩定、工作是否正常。提高檢定的效率，減少不必要的能耗成本。所有閥門的控制，即可以通過現場的控制裝置實現，也可以通過遠程的工控機遠程實現。

校準裝置的所有控制閥門包括開關閥和調節閥均采用電動調節閥。

3 結語

由于音速噴嘴具有重復性好、工作特性穩定、結構簡單、準確度高、無可動部件、維護方便、檢定周期長等諸多優點，使得音速噴嘴法氣體流量校準裝置得到越來越廣的應用。本文結合民用飛機環境控制試驗室實際情況，建立了一套適用于環境控制試驗室的音速噴嘴法氣體流量校準裝置。

【參考文獻】

[1]王池，王自和，張寶珠，孫淮清.流量測量技術全書[M].北京：化學工業出版社，2012，6.

[2]于華偉，張永勝，劉彥軍，白銀.正壓法音速噴嘴氣體流量標準裝置的建立[J].計測技術，2008，28（增刊）：113-115.

[責任編輯：湯靜]

【摘 要】流量校準裝置是環境控制試驗室必不可少的組成部分。本文結合民用飛機環境控制試驗室實際情況，分析了環控系統試驗所需流量校準裝置的技術要求，建立了一套適用于環境控制試驗室的音速噴嘴法氣體流量校準裝置。

【關鍵詞】民用飛機；環控系統；流量校準

0 引言

流量校準裝置是環境控制試驗室必不可少的工藝設備，其主要作用是對流量計的測量誤差進行判定，以保證流量計的精確性和可靠性。流量計的測量精度、可靠性直接關系到試驗結果的精度和準確度，因此需要通過流量校準裝置來標定流量計的精度。

在開展環控系統試驗室試驗時，需要使用到大量的流量計來測量氣體流量。試驗中的氣體流量計需要經常拆卸，但是很多流量計重新安裝后，由于安裝角度的變化，其測量精度可能將會發生變化，為了判定安裝在管路上的流量計的測量正確性，需要通過流量校準裝置對流量計的測量誤差進行判定，以保證流量計的正確性。

此外，飛機上的流量測量裝置由于受限于直管段不足的限制，往往不能按照理論公式進行流量計算，需要通過流量校準裝置對飛機上的流量測量部件和前后管路一起進行流量標定，計算出系統的流量計算公式，作為飛機設計的依據。

環控系統試驗室試驗中使用到的流量計種類多、流量大，在試驗中，拆卸一次流量計就進行一次計量標定是不現實的。所以需要在試驗室中建設流量校準裝置，以方便試驗工作的快速開展。

1 技術要求

1.1 可檢測流量范圍

根據環境控制試驗室單根供氣管路的最大流量（10000kg/h）以及后續型號發展的需要，確定流量校準裝置的最大檢測流量為12000kg/h。最小檢測流量為50kg/h，主要用于低壓供氣管路的流量計校準。流量校準裝置的可檢測流量范圍為：50kg/h-12000kg/h。

1.2 可檢測管路口徑

校準裝置采用換管式實現不同管路的切換，根據試驗室的檢測流量范圍，擬定流量校準裝置配置的常用檢測管路口徑為：DN50、DN100、DN150、DN200四種，若試驗室需要校準其他口徑的流量計，可通過轉接頭實現被試件的連接。

1.3 被檢測介質要求

根據環控試驗需求，流量計測量的氣體溫度范圍為-60℃～+550℃。若要滿足此要求，流量校準裝置需設置加熱裝置和制冷裝置、所有部件需采用耐高溫及耐低溫材料等，將導致價格嚴重超出預算。所以擬采用常溫校準方式，即被檢測介質溫度為-10℃～+50℃的干空氣；介質壓力低于0.8MPa以下，對于不在該范圍內工作的流量計，校準裝置需能自動進行溫壓補償，以降低因為溫度壓力不同導致的誤差。

1.4 裝置不確定度

根據流量計的量值傳遞，要滿足試驗室流量計的精度需求，流量校準裝置的不確定度需優于0.5%。

1.5 現有資源

環控試驗室已有總流量達20000kg/h的低壓干燥壓縮空氣，氣源儲氣罐出口壓力范圍為0.8MPa～0.9MPa（表壓）。

2 技術方案

通過調研國內相關廠家，流量校準裝置大多采用音速文丘利噴嘴作為計量傳遞的關鍵設備。這主要是因為音速噴嘴重復性好、工作特性穩定、結構簡單、準確度高、無可動部件、維護方便、檢定周期長（五年）等優點。所以環境控制試驗室也將采用音速噴嘴法設計該校準裝置。

2.1 裝置組成及原理

音速噴嘴法氣體流量校準裝置分為正壓和負壓兩種方式。負壓法是在音速噴嘴下游通過真空泵產生噴嘴上下游壓差，使得噴嘴喉部達到臨界流條件來獲得流經噴嘴的流量恒定，被測件位于噴嘴的上游。正壓法是在音速噴嘴上游通過壓縮空氣產生噴嘴上下游壓差，使得噴嘴喉部達到臨界流條件來獲得流經噴嘴的流量恒定，被測件一般位于噴嘴的下游。具體采用哪種方式，取決于建設單位已有的配套設施，如果已有滿足校準裝置使用的氣源系統，則采用正壓法可以降低投資。由于環控試驗室已有大容量氣源系統，故該建設項目選用正壓音速噴嘴法構建氣體流量校準裝置。

正壓法音速噴嘴法氣體流量校準裝置的組成部件包括控制系統、氣源系統、調節閥組、被檢流量計及其夾具、被檢流量計溫度計和壓力計、滯止容器、濕度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、音速噴嘴、出口容器、消音器以及閥門等，結構示意圖如圖1所示。

圖1 流量校準裝置結構示意

裝置工作時，經穩壓系統穩壓后的空氣通過檢定管段和被檢流量計，進入滯止容器，流經臨界流文丘里噴嘴組、出口容器、最后排放到大氣中。根據檢定壓力及流量的大小，穩壓系統輸出一定壓力的氣體，系統自動控制選擇閥門進行不同的噴嘴組合，確定所需的檢定流量。這一壓力能保證流經噴嘴的氣體達到臨界狀態。裝置所復現的氣體流量標準值為：

式中：

qm——裝置所復現的氣體質量流量標準值；

qmi——通過第i個臨界流噴嘴的氣體質量流量；

i——所選擇噴嘴的個數。

在穩定的工況下，流經臨界流噴嘴和被檢流量計的氣體質量流量是相同的。檢定過程中，微機系統自動采集和處理臨界流噴嘴前的氣體滯止壓力和滯止溫度，計算出標準的氣體質量流量或累積流量，并按相關的檢定規程，將它與采集到的被檢流量計的指示值進行比較和計算，即可得到被檢流量計在不同流量點的基本誤差和重復性誤差，從而實現對氣體流量計的檢定。

2.2 裝置檢定管線

直管段采用轉盤式換管器裝夾被檢流量計，可換管口徑為DN50、DN100、DN150、DN200，前直管段≥20D，后直管段≥10D。夾表器安裝于檢定管線入口端，檢定管段出口端引到室外，出口端向上方排放氣體，出口處安裝管道復合式消音器以降低噪聲污染。

由于小流量用的噴嘴喉徑只有幾毫米，為防止壓縮空氣中的油、水成份和塵屑而造成的淤塞，在裝置的上游進氣端須配置過濾器，濾除來自儲氣罐的顆粒物，過濾精度滿足流量校準裝置的使用，以保證輸出潔凈的空氣氣源。

2.3 校準裝置測控系統

為了方便流量校準裝置使用，測控系統采用上、下位機形式。下位機實現現場信號測量及部件控制。上位機采用工業控制計算機，主要完成數據處理、文件管理、數據記錄打印。上位機與下位機之間通過總線通訊傳輸數據。微機檢定軟件能將檢定的各個數據清晰有序的顯示在操作界面上。如噴嘴背壓比實時監視噴嘴是否處于臨界流狀態，確保檢定數據真實、可靠；被檢流量計信號的顯示可以實時顯示流量計的工作情況。通過它可以判斷流量計的接線是否正確、流量是否穩定、工作是否正常。提高檢定的效率，減少不必要的能耗成本。所有閥門的控制，即可以通過現場的控制裝置實現，也可以通過遠程的工控機遠程實現。

校準裝置的所有控制閥門包括開關閥和調節閥均采用電動調節閥。

3 結語

由于音速噴嘴具有重復性好、工作特性穩定、結構簡單、準確度高、無可動部件、維護方便、檢定周期長等諸多優點，使得音速噴嘴法氣體流量校準裝置得到越來越廣的應用。本文結合民用飛機環境控制試驗室實際情況，建立了一套適用于環境控制試驗室的音速噴嘴法氣體流量校準裝置。

【參考文獻】

[1]王池，王自和，張寶珠，孫淮清.流量測量技術全書[M].北京：化學工業出版社，2012，6.

[2]于華偉，張永勝，劉彥軍，白銀.正壓法音速噴嘴氣體流量標準裝置的建立[J].計測技術，2008，28（增刊）：113-115.

[責任編輯：湯靜]