pVTt法臨界流噴嘴檢定系統的實現

【摘要】本文介紹了一種基于pVTt法對臨界流文丘里噴嘴進行標定的系統裝置，重點分析了該裝置的工作原理、系統組成、自動控制系統的設計、軟件功能模塊，并通過量值比對方法對裝置準確性進行驗證的過程。該裝置創新性地采用負壓技術來構建臨界流系統，以實現高精度、高穩定性的流量測量與標定。

【關鍵詞】pVTt法；臨界流文丘里噴嘴；檢定系統

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.06.077

Implementation of pVTt Method Critical Flow Nozzle Calibration System

LIU Yizhuan

（Zhangzhou Metrology Institute， Zhangzhou 363000， China）

Abstract： This paper introduces a system device for calibrating critical flow venturi nozzles based on the pVTt method， focusing on the analysis of the working principle of the device， system composition， design of the automatic control system， software function modules， and the process of verifying the accuracy of the device through the method of value comparison. This device innovatively adopts negative pressure technology to construct a critical flow system， in order to achieve high-precision and high-stability flow measurement and calibration.

Keywords： pVTt method； critical flow venturi nozzle； verification system

1概述

隨著國內對能源計量準確性要求的提高，氣體流量計量的重要性日益凸顯，相關的流量計檢定系統也隨之增多，其中以臨界流噴嘴為標準器的檢定裝置在實際應用中越來越廣泛。然而，作為高精度的標準器，臨界流噴嘴不僅需要嚴格的加工工藝，還需要精確標定其流出系數。因此，市場對更高精度檢定系統的需求日益增長。為了滿足社會的需要，我們研究開發了一種pVTt法臨界流噴嘴檢定系統。盡管該系統的原理相對簡單，但涉及的音速噴嘴類型包括具有小喉徑的設計，因而對裝置的整體制造工藝要求較高。此外，氣體本身是可壓縮介質，涉及的變量因素較多，計算過程較為復雜，因而該裝置的算法必須經過大量的實驗數據來進行驗證。

2基本原理

3pVTt法檢定裝置的結構組成和工作過程

pVTt法氣體流量標準裝置如圖1所示。

當裝置工作時，真空泵開啟，且打開開關閥1，標準容器內的空氣被抽空，并排入大氣中。當標準容器內的絕對壓力低到某一數值時，關閉容器后面的開關閥1及真空泵，停留一段時間。待容器內氣體狀態穩定后，打開帶計時功能的專用閥門（開關閥2帶換向器），同時計時，此時空氣通過管段、音速噴嘴、專用閥進入標準容器內，同時記錄音速噴嘴前溫度、壓力。當進氣達預定時間時關閉專用閥，同時計時，此時進入標準容器內的氣體狀態是不穩定的，需要足夠的穩定時間。當氣體狀態確定穩定后，測量容器內溫度、壓力、濕度，并通過軟件進行運算，并將運算數據保存，此時完成一次檢定工作。重復上述檢定，即可得到多次檢定數據并進行數據處理，最后得到流出系數的真值。

4控制系統構成

控制系統構成如圖2所示。

4.1硬件組成

為了滿足裝置的精度要求，系統的采集控制系統在關鍵的采集點采用了高精度數字壓力計和高精度的溫度計，直接通過總線形式把數字信號傳遞到計算機中，減少了中間數模轉換造成的誤差。同時為了盡量降低成本，系統中也使用了一些普通的溫度壓力變送器，通過PLC采集模塊進行模數轉換后傳遞到計算機進行數據處理。除此之外，系統還使用了高精度的計時器，以保證檢定時間的準確性。

4.2軟件控制

軟件系統如圖3所示。計算機檢定系統是在Windows環境下使用組態軟件開發的。組態軟件本身不僅美觀、靈活、可靠，還集成了PLC的驅動程序，方便程序的編寫。

軟件包括算法模塊、控制模塊、數據庫管理模塊、數據導出模塊。其中算法模塊是核心內容，它完成了臨界流噴嘴流出系數的計算功能。控制模塊是執行模塊，它直接操作PLC進行流程控制，同時對高精度的溫度計、壓力計通過總線方式進行采集。

由于pVTt法對環境條件及容器內氣體穩定性的要求較為嚴格，實驗過程可能會較為耗時。為了減輕操作人員的工作負擔，軟件采用了對用戶友好的設計，實現了一鍵自動檢定功能。用戶只需在實驗前設定目標背壓比和穩定時間，后續流程將由系統自動執行。

5系統設計的難點和解決辦法

系統遇到的第一個挑戰是標準容器的體積測量和確保其密封性。鑒于精度要求極高，準確測量容器體積變得至關重要。為此，我們采用了質量法：首先，通過高精度的電子天平，對充滿氮氣的高壓氣瓶容器進行稱量；其次，將氮氣充入容器內，當達到一定壓力后停止充氣，再進行稱量；最后，計算兩次稱量的重量差，根據溫度壓力計算出標準體積。在密封性方面，我們采用了一些特殊方法進行處理，效果顯著。

另一個難點就是算法問題。我們通過大量實驗，對現有的算法進行不斷修改和完善，最終通過實驗數據完美復現了噴嘴的流量特性曲線。隨著壓力的變化，噴嘴的流速逐步達到定值，即音速噴嘴的臨界流特性。

6檢定結果的驗證

裝置的目的除了復現噴嘴的特性，還要準確測量流出系數。為此我們選擇了一個喉徑為1.73 mm的噴嘴和一個喉徑為1.35 mm的噴嘴作為實驗對象，對其進行檢定結果的驗證，測試數據分別見表1和表2。

【參考文獻】

[1] p.V.T.t法氣體流量標準裝置：JJG 619—2005[S].

【作者簡介】

劉藝專，男，1981年出生，高級工程師，碩士，研究方向為計量。

（編輯：李加鵬）