一種高壓孔板氣體大流量校準技術研究

王慧龍 孫鳳舉 張 宇 王小三 焦鑫鑫

(1.北京航天計量測試技術研究所，北京 100076；2. 北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

1 引 言

孔板是工程上應用廣泛的限流元件，由于其結構簡單、重量輕、耐高壓、無可動部件且工作可靠，所以增壓輸送系統通常選擇孔板作為氣體限流裝置。流量系數是表征孔板流通能力的一個非常重要的參數，其大小與孔板的自身結構、孔徑比和雷諾數等因素相關，對于標準孔板且流體介質在整個測量段內保持亞聲速流動、管道直徑為(50～1000)mm、孔徑比為0.2～0.75、背壓比大于0.75(大于臨界壓比)的情況，其流量系數可查閱ISO5167規范得到，標準孔板流量系數一般在0.6左右。液體火箭增壓輸送系統使用的孔板孔徑不大，入口壓力最高達30MPa，出口壓力很低，工作于臨界狀態，結構上為非標設計，其工作特性、流量系數的取值國內還未開展研究，也無現成資料可查閱，因此研建一套高壓孔板氣體大流量地面試驗裝置，通過試驗手段研究高壓孔板流量特性，為增壓輸送系統設計提供可靠的依據。

2 高壓孔板氣體大流量校準裝置

液體火箭常溫氦氣增壓輸送系統采用35MPa高壓氦氣作為增壓介質，在發動機點火后，控制系統將電磁閥打開，高壓氦氣經電磁閥、孔板進入貯箱[1,2]。實際應用中，根據供氣流量不同，液體火箭采用的孔板孔徑從0.8mm到10mm不等，孔板入口壓力最高30MPa，流量約為7.2kg/h～18000kg/h(氮氣)。

為準確測量如此極端工況下非標孔板的流量系數，研建了一套高壓孔板氣體大流量校準裝置，由組合音速噴嘴(二次標準)和正壓式pVTt(一次標準)組成。二次標準是限于目前高壓、大流量量值無法溯源的現狀，巧妙利用音速噴嘴的臨界特性將高壓孔板氣體大流量量值轉化為由分立的低壓工況音速噴嘴來分擔，再通過音速噴嘴的并聯組合方式還原孔板總流量，而參與分擔流量的單個噴嘴量值的定期溯源由一次標準來完成[3]。高壓孔板氣體大流量校準裝置原理如圖1所示。

圖1 高壓孔板氣體大流量校準裝置原理圖Fig.1 Schematic of high-pressure gas flow calibration of orifice plate

2.1 二次標準

高壓氣源經減壓穩壓及流量調節后通過孔板，再流入與之串聯在一起的標準表法二次標準即組合音速噴嘴式氣體流量校準裝置。當工作在臨界狀態時，利用質量流量守恒原理，約去有關常數后，有

(1)

式中：Cs——標準噴嘴流出系數，無量綱；As——標準噴嘴喉部面積，m2；p0S——標準噴嘴入口滯止壓力，(Pa)；T0S——標準噴嘴入口滯止溫度，(K)；Cm——標準噴嘴流出系數，無量綱；Am——標準噴嘴喉部面積，(m2)；p0m——標準噴嘴入口滯止壓力，(Pa)；T0m——標準噴嘴入口滯止溫度，(K)。

由公式(1)可知，以組合標準噴嘴組的喉部面積As、流出系數CS以及溫度T0S、壓力p0S可得到被?？装逶诟邏汗r下的流出系數Cm，即通過不同規格并聯噴嘴的組合，可將高壓、大流量轉換為低壓、分流量測量，從而可求得高壓孔板的流量特性，圖2為其測量原理圖。

圖2 組合音速噴嘴式氣體流量測量原理圖Fig.2 Measurement of combined sonic nozzle gas flow

根據實際工況特點，采用喉部通流面積成二倍關系遞增的方法設計標準噴嘴組，確保標準噴嘴組入口工作壓力p0S在(0.25～2)MPa范圍內，便于采用一次標準對單個噴嘴的標校。

圖3 組合音速噴嘴式氣體流量校準裝置Fig.3 Gas flow calibration facility of combined sonic nozzle

表1為標準噴嘴組，圖3為組合音速噴嘴式氣體流量校準裝置實物圖。

表1 標準噴嘴組

2.2 一次標準

一次標準用于對二次標準的單個標準音速噴嘴進行量值溯源，單個噴嘴的流量大幅低于被測孔板的最大流量，因而大大降低了一次標準的流量校準范圍。一次標準采用pVTt法流量測量原理，見圖4。

圖4 pVTt法流量測量原理Fig.4 Flow measurement of pVTt

pVTt分別代表四個物理量：壓力、容積、溫度和時間，通過四個物理量的組合測量實現氣體質量流量的量值復現。為了確保量值準確可靠，本項目的二次標準需在真實的工況條件下進行校準，因此與常規裝置不同，本pVTt裝置工作在正壓方式，即容器入口壓力大于大氣壓。其工作原理為：在換向器的控制下，從某一時刻開始，氣體流入封閉的標準容器，同時開始計時，經過時間t后，換向器換向，停止計時，設氣體常數為R，容器容積為V，初始狀態的絕對壓力為p1，絕對溫度T1，結束狀態的絕對壓力為p2，絕對溫度為T2，則其質量流量qm由式(2)計算[4]

(2)

通過控制標準噴嘴背壓比，使孔板始終工作于臨界流狀態，確保校準過程中流過的質量流量不隨容器內壓力的升高而發生變化，保證校準所需的穩定流條件。通過對各標準噴嘴在真實工況下的校準，找到各標準噴嘴流出系數變化規律，進而為其組合使用測量高壓孔板流量提供量傳依據。

圖5 正壓pVTt法氣體流量標準裝置實物圖Fig.5 Gas flow standard facility of positive pressure pVTt

2.3 氣源調制裝置

高壓孔板氣體大流量校準裝置以兩個3m3、35MPa高壓貯氣罐作為氣源，氣源調制裝置用于準確控制孔板入口壓力，模擬孔板實際工況，其設計既要滿足壓力控制指標還要兼顧寬范圍的流量輸出要求。

由于大減壓閥可輸出大流量，但自動調壓的精細度不夠，在小流量條件下工作時，容易出現超調，從而導致流量及壓力波動，而小減壓閥又無法提供較大的流量輸出。為此，在管路配置上按流量大小分成三路，分別用三個不同規格的減壓閥進行減壓，輸出各自的壓力和流量，三臺減壓閥共用一臺減壓控制器，其中最小的一臺減壓閥的輸出可以單獨提供工作氣體，也可以為其它兩臺減壓閥提供控制氣源，見圖6。

圖6 氣源調制原理圖Fig.6 Schematic of gas source modulation

主管路為DN40，根據所檢測的流量范圍需要，將配氣管路分為三路，均為自動減壓控制，流通管徑為別為DN40、DN25和DN10，采用TESCOM的ER5000控制器分別控制三個減壓閥。系統中最大流量發生在DN40管路中，約為18000kg/h(氮氣)，此時減壓器入口壓力35MPa，出口壓力即孔板前壓力30MPa，安裝孔板的喉徑為10mm，經管路流阻計算，同時考慮到留有足夠余量，選用Cv12的減壓閥，留有足夠余量的目的，主要是考慮在以最大流量校準孔板的過程中，耗氣量大，減壓閥前壓力下降很快，Cv12的減壓閥可確保在較低壓差(約為3MPa)下仍能輸出足夠流量的氣體，DN25管路中采用Cv3.3減壓閥，DN10管路中采用Cv0.06減壓閥； Cv0.06的輸出氣可經兩個二位三通電磁換向閥以實現單獨供氣和分別為Cv12和Cv3.3提供控制氣等工況間的自動切換，這樣便具備了寬范圍的壓力和流量調節能力，使任意流量下實現更加精細的壓力自動調節成為可能，管路流量分解配置及減壓器調壓控制如圖7所示。

圖7 氣源調制裝置Fig.7 Device of gas source modulation

3 校準裝置量值傳遞框圖及不確定度分析

3.1 校準裝置的量值傳遞框圖

高壓孔板氣體大流量校準裝置采用音速噴嘴組作為標準表，對高壓孔板流出系數進行標校，單個音速噴嘴實際工況下的流出系數則采用正壓pVTt校準裝置進行標定。整體量值傳遞框圖如圖8所示。

圖8 裝置量值溯源關系框圖Fig.8 Traceability diagram of calibration facility

3.2 校準裝置的不確定度分析

由測量重復性引入的不確定度ur=0.19%，由正壓pVTt量傳得到音速噴嘴組的流出系數引入的不確定度uc=0.13%，其中正壓pVTt法一次標準的流量測量不確定度為U=0.09%(k=2)，由音速噴嘴組前滯止壓力、滯止溫度的測量不準引入的不確定度分別為up=0.05%，uT=0.08%，則

(3)

4 結束語

高壓孔板氣體大流量校準裝置采用組合音速噴嘴實現高-低壓工況轉化，以各并聯低壓工況音速噴嘴的組合還原總流量，各音速噴嘴工況下的流出系數由正壓式pVTt法流量標準裝置檢定獲得，填補了國內入口壓力30MPa、最大流量18000kg/h(氮氣)的高壓氣體大流量計量測試空白，流量測量不確定度達到U=0.5%(k=2)。

因此，該裝置的研制成功，既為液體火箭貯箱高壓增壓孔板的流量系數提供了計量保障，也解決了其他武器系統、民用天然氣等領域高壓氣體大流量的計量問題。