音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)過程中幾個問題的分析

高江+邢西鋒+楊嘉泉

摘 要： 針對音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在校準(zhǔn)過程中遇到的問題，結(jié)合原理分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，對裝置氣密性試驗(yàn)、臨界背壓比試驗(yàn)及裝置不確定度確定等校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法進(jìn)行了研究，提出了針對正壓法音速噴嘴法氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置氣密性測試方法、背壓比試驗(yàn)方法，對不確定度評定提出改進(jìn)意見。

關(guān)鍵詞： 音速噴嘴標(biāo)準(zhǔn)裝置；臨界背壓比；儀表系數(shù)；氣密性

中圖分類號：TH71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

以音速噴嘴作為標(biāo)準(zhǔn)表的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，以其結(jié)構(gòu)簡單、無可動部件、準(zhǔn)確度高、維修方便等特點(diǎn)在氣體流量計(jì)的檢定和校準(zhǔn)工作中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)氣源滯止壓力的不同，音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置又分為負(fù)壓裝置和正壓裝置兩種。負(fù)壓裝置采用真空泵作為動力源，噴嘴滯止壓力為大氣壓力，只能通過噴嘴數(shù)目的增加或噴嘴口徑的增加來增大流量范圍。正壓裝置采用空氣壓縮機(jī)為動力源，可以對噴嘴制止壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，工況同流量計(jì)的工作條件接近，且容易實(shí)現(xiàn)較寬的流量范圍。目前針對音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)工作依據(jù)JJF 1240-2010《臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)規(guī)范》進(jìn)行，在實(shí)際校準(zhǔn)中遇到一些疑問，下文進(jìn)行分析討論。

2 問題的提出

根據(jù)JJF 1240-2010，校準(zhǔn)項(xiàng)目主要有外觀檢查和資料審查、密封性試驗(yàn)、臨界背壓比試驗(yàn)、裝置穩(wěn)定性四項(xiàng)，并給出了裝置不確定度計(jì)算方法和濕度修正方法。正壓裝置因?yàn)樵黾恿顺凉裨O(shè)備，故其不需要進(jìn)行濕度修正。

2.1氣密性試驗(yàn)

在JJF 1240-2010中針對負(fù)壓裝置給出了密封性試驗(yàn)方法，要求開啟真空泵使裝置達(dá)到最小壓力后，關(guān)閉噴嘴前后的相關(guān)閥門，保持5 min。首先，在實(shí)際校準(zhǔn)工作中，密封性是評價氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的首要指標(biāo)，密封性相關(guān)問題在被檢流量計(jì)的夾裝工位非常關(guān)鍵，JJF 1240-2010中“關(guān)閉噴嘴前后相關(guān)閥門”進(jìn)行密封性試驗(yàn)的規(guī)定無法保證對被檢流量計(jì)夾裝工位密封性的檢測。第二，以上試驗(yàn)方法不適用于正壓裝置。

2.2 臨界背壓比試驗(yàn)

JJF 1240-2010中要求在標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行臨界背壓比試驗(yàn)，要求將試驗(yàn)用流量計(jì)（或組）安裝在標(biāo)準(zhǔn)裝置上，選定待測噴嘴，開啟裝置中的真空泵，當(dāng)背壓比達(dá)到某一值，關(guān)閉真空泵，記錄此時試驗(yàn)用流量計(jì)（或組）顯示的流量值和背壓比。背壓比每增加一個固定值，記錄實(shí)驗(yàn)用表顯示的流量值及背壓比。當(dāng)試驗(yàn)用流量計(jì)顯示的流量示值剛剛開始下降時的背壓比即為該噴嘴的背壓比。此方法是基于負(fù)壓裝置的滯止壓力即為大氣壓力恒定、滯止溫度恒定，噴嘴保持在臨界狀態(tài)時流量不變的基礎(chǔ)上，通過噴嘴后壓力的改變，背壓比隨之改變而實(shí)現(xiàn)的。而正壓裝置是滯止壓力可調(diào)，噴嘴后壓力基本恒定，與負(fù)壓裝置壓力控制系統(tǒng)完全不同，所以此測試背壓比的方法不適用于正壓裝置。

2.3 不確定度評定

JJF 1240-2010中就多噴嘴組合的情況，提出其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度選取各噴嘴中最大的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度與計(jì)時器相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成，未考慮多噴嘴組合使用時噴嘴之間互相影響所帶來的不確定度。

3 問題的分析

3.1 密封性測試方法探討

密封性試驗(yàn)須將被檢流量計(jì)夾裝工位包含在內(nèi)，在規(guī)程中應(yīng)明確指出。夾裝工位產(chǎn)生泄漏，必然會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，尤其是小流量點(diǎn)的檢定中可能產(chǎn)生較大的影響。正壓裝置動力源為空氣壓縮機(jī)，滯止容器前壓力由儲氣調(diào)節(jié)單元控制，正壓裝置的氣密性試驗(yàn)可通過動力源給氣，達(dá)到一定壓力后，可參考負(fù)壓裝置的試驗(yàn)方法調(diào)整為：啟動控制設(shè)備，關(guān)閉排氣出口閥門或用可承壓部件封閉裝置排氣出口，被檢流量計(jì)夾裝工位用相應(yīng)口徑流量計(jì)或接管密封連接，運(yùn)行裝置。開啟穩(wěn)壓調(diào)壓系統(tǒng)閥門，使滯止壓力達(dá)到裝置最大值，關(guān)閉滯止容器前的相關(guān)閥門，保持5min，裝置滯止容器內(nèi)絕對壓力與絕對溫度比值的變化率應(yīng)不超過0.1%。在工作壓力下，裝置各部件的連接處應(yīng)無泄漏。

由于夾裝工位的泄漏存在隨機(jī)性，且泄漏量具有不確定性，可能導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)裝置的重復(fù)性較差，所以校準(zhǔn)過程中還應(yīng)關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)裝置是否具備夾裝工位的檢漏設(shè)施及其他保障措施。

3.2 正壓裝置臨界背壓比確定方法

正壓裝置可以通過調(diào)節(jié)噴嘴前滯止壓力從而控制噴嘴流量，但由于噴嘴的安裝及其他原因?qū)е碌奶崆胺芹杖纫蛩氐挠绊懀瑖娮彀惭b到標(biāo)準(zhǔn)裝置上運(yùn)行過程中實(shí)際臨界背壓比可能遠(yuǎn)低于噴嘴設(shè)計(jì)背壓比。無法保證噴嘴的臨界背壓比，就無法保證流量數(shù)據(jù)科學(xué)準(zhǔn)確，所以，正壓裝置噴嘴的臨界背壓比的試驗(yàn)非常的必要。

根據(jù)流量計(jì)在小流量范圍內(nèi)儀表系數(shù)近似恒定的原理，選擇穩(wěn)定性較好的試驗(yàn)流量計(jì)，針對指定噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)，逐漸按一固定值逐漸減小滯止壓力，壓力穩(wěn)定后記錄噴嘴標(biāo)準(zhǔn)裝置流量和實(shí)驗(yàn)得到的流量計(jì)的儀表系數(shù)。當(dāng)儀表系數(shù)劇烈波動處的背壓比即為該噴嘴的背壓比。

3.3 噴嘴組合不確定度評定方法探討

噴嘴在組合使用時，噴嘴之間存在相互影響，影響因素的大小又因噴嘴的加工、安裝和使用影響等的不同而不同。根據(jù)李鵬的實(shí)驗(yàn)研究可知，噴嘴之間的影響引入的不確定度會超過標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度三分之一[8]。所以在臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度評定時，需要針對噴嘴組合使用時噴嘴間相互影響所帶來的不確定度進(jìn)行試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)可以選定重復(fù)性較好的試驗(yàn)流量計(jì)，測試噴嘴的各種組合形式下流量計(jì)儀表系數(shù)，消除儀表系數(shù)隨流量變化的影響后，可得出各種噴嘴組合形式所帶來的不確定度。

4 結(jié)論

音速噴嘴標(biāo)準(zhǔn)裝置在進(jìn)行氣密性試驗(yàn)時應(yīng)將被檢流量計(jì)夾裝工位包括在內(nèi)。對正壓裝置的氣密性試驗(yàn)可采用上述方法。

正壓法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)過程中，噴嘴背壓比可通過上述方法進(jìn)行試驗(yàn)。

氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度評定過程中應(yīng)當(dāng)先對噴嘴組合使用情況進(jìn)行試驗(yàn)，將噴嘴間的相互影響帶來的不確定度納入到標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度評定中。■

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：高江（1989），男，陜西榆林，本科，主要從事氣體流量試驗(yàn)研究。