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音速喷嘴气体流量标准装置的误差分析2003年10月(1)

由于音速文丘利喷嘴具有结构简单、体积小、性能稳定、重复性好、精度高等优点,被作为气体流量传递标准,在国内外得到广泛的应用。下面主要以常压法为例分析其工作原理和误差来源。

1 音速文丘利喷嘴气体标准装置的工作原理

   常压法音速文丘利喷嘴气体标准装置如图1所示。 用8只不同规格的标准喷嘴并联,有3种管径法兰连接被校仪表,通过电磁阀根据流量大小选定不同的喷嘴组合,可产生255种不同流量。

1-板式过滤器;2-被校表;3-电磁阀控制的气动球阀;4-滞止容器;5-音速喷嘴;

6-电磁阀控制的气动球阀;7-汇合容器;8-真空泵;9-循环水线;10-吸气管及消音器;

Pi-压力变送器;Ti-体化温度变送器

                图1  音速文丘利喷嘴气体标准装置

   工作过程:打开压缩机和真空泵,操作者输入所需参数,计算机根据设定流量大小自动打开相应的喷嘴开关,等待流量稳定(p5/p1<0.8)以后,计算机通过数据采集卡定时采集温度和压力等模拟信号和脉冲量,计算出流过被校表的质量流量和工作状态及标准状态下体积流量、被校表测量的流量值,二者比较可得出被校表的流量系数、线性误差、重复性误差和准确度。其中,音速文丘喷嘴的结构形状如图2所示。

                图2  音速文丘里喷嘴原理图

当p/p0小于或等于临界压比时(由于p不容易测量,通常用压力比 判断),气体通过喷嘴最小截面处(喉部)的流速达到当地音速,而且始终保持此速度不变,即马赫数等于1。所以其流量只与上游压力有关而与下游压力无关,流出系数只与雷诺数有关,因此就可以达到很高的测量准确度。此时,用音速文丘利喷嘴测量的气体质量流量为

                        (1)

式中: 为音速喷嘴在实际条件下的质量流量;A为音速喷嘴喉部的内截面积; 为音速喷嘴入口的气体滞止绝对压力;T0为音速喷嘴入口的气体滞止绝对温度;C为实际气体的临界流函数,由滞止条件(p0,T0)查表得到;C为流出系数,是对“一维、等熵流动”这种假设的修正;M为实际气体的摩尔质量。

2 误差分析

   根据式(1),整个装置的不确定度为

              (2)

2.1 流出系数C

流出系数,是对“一维、等熵流动”这种假设的修正。实验表明,C只是雷诺数Red的函数,ISO9300给出的流出系数经验公式[2]

                                    (3)

                                        (4)

式中: 为音速喷嘴喉部雷诺数;d为音速喷嘴喉部内径; 为气体滞止条件下的动力粘度;a,b,n的数值按不同种类的文丘利喷嘴和雷诺数范围而不同。

式(3)是根据一些实验资料拟合而成的,按此公式求出的流出系统的相对误差为±0.5%。如用PVTt法气体标准装置实标,其相对误差可≤±0.2%。

在本装置中,我们采用PVTt法气体标准装置实标,EC=±0.2%。

2.2 临界流函数

实际气体的临界流函数不但与滞止压力、温度有关,而且与气体组份有关。由于在常温、常压附近,临界流函数变化很小,通常用一常数表示。

当用音速文丘利喷嘴标定各种流量仪表时,为了节省设备投资和运行费用,目前国内一般均使用湿空气作为试验介质,而临界流函数C仍按干空气计算,当空气湿度较大时,会带来较大的误差。在本装置中,EC≤±0.2%。

2.3 摩尔质量M

由于使用湿空气作为试验介质,但计算时却通常按干空气的摩尔质量计算。湿空气是 干空气和水蒸汽的混合物,通常大气中水蒸汽的摩尔成分很小,湿空气和干空气的摩尔质量相差很小。当空气湿度较大时,会带来较大的误差,这时,在计算过程中通常需要对空气湿度的影响进行修正。

在本装置中,由于在使用过程中,空气湿度较小,因而没对此作修正,由此带来的误差很小,在这里忽略不计。

2.4 喷嘴喉部内截面积A

根据临界流流量计检定规程[4],Ed≤±0.1%,所以,EA=±2 ≤±0.2%。

2.5 滞止绝对压力P0

我们假定了气体在文丘里喷嘴入口处是处于滞止状态,即气体流速以等熵过程降为零时的状态。此时,入口处流速趋于零,相当于入口截面积相比于喉部截面积趋于无穷大,即直径比 趋于零,此时的温度、压力分别称为滞止温度、滞止压力。当 不够小时,就需要由测得的流动状态参数算出滞止状态参数。

中,给出了实测压力与滞止压力的关系[2]

                             (5)

式中: 为喷嘴滞止绝对压力; 为喷嘴入口实测绝对压力;k为等熵指数,对于理想气体,k等于比热比; 为文丘里喷嘴入口处的马赫数。

根据文献[1],当 ≤0.5时,式(5)可近似表示为

                         (6)

对于空气,

在本装置中, ,我们用实测绝对压力(图1中滞止容器的压力 )直接代替了喷嘴滞止压力,由此所带来的误差 可用式(6)计算:

                      (7)


 


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以上资料摘录自《自动化仪表》杂志
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