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［摘要］针对目前气体流量计检定过程效率低、精度低的问题，设计了临界流文丘里喷嘴气体流量计检定系统。介绍了临界流文丘里喷嘴及其装置的工作原理，提出了采用负压法工作原理建设一套最大流量为6500m3/h的检定系统设计方案，上位机软件平台通过PLC实现数据采集与设备控制，系统实现了数据自动采集与检定过程的自动控制。
［关键词］气体流量计；负压法；喷嘴；检定
0引言
目前气体流量计被广泛应用于能源领域，在气体计量、贸易结算及过程控制中发挥了重要的作用。为保证气体流量仪表的可靠性和准确度，《中华人民共和国计量法》将气体流量计、蒸汽流量计均列入强制检定范围。在气体流量计检定和校准领域，音速喷嘴法气体流量标准装置以其结构简单、性能稳定和维护简单等特点得到了广泛的应用。随着计算机、自动化技术的发展并与音速喷嘴气体流量技术相结合，高度自动化的音速喷嘴法气体流量标准装置已成为主要标准装置。
1系统工作原理
1.1音速喷嘴的工作原理。临界流文丘里喷嘴又称“音速喷嘴”，其结构如图1所示。图1中孔径最小处为喷嘴的喉部，当喉部上游的P0处压力值（入口滞止压力）不变时，逐步降低P1处压力值（出口背压），此时通过喷嘴处的流量逐步增大。但当P1处压力降低到某一压力值时，气体通过喉部的流速达到音速，通过喷嘴处的流量值达到最大，此时的状态称为临界流状态。在临界流状态时，P1处压力又称为临界背压，它与P0处滞止压力的比值被称为临界背压比。P1压力与P0压力的比值被称为节流压力比β。当β小于临界背压比时，通过喷嘴处的流量一直保持平稳，临界流状态时的流量与音速喷嘴入口处气体的性质和热力学状态（温度和压力）有关，喷嘴出口处气体的变化不影响流量。
1.2音速喷嘴装置的工作方法。临界流文丘里喷嘴法的标准流量装置分为正压法和负压法2种,其装置的基本组成系统如图2所示。正压法装置以空气压缩机组为动力气源，并由压力罐及压力调节系统为测试管段提供持续、稳定的气源，可避免气体洁净度和湿度对测量精度造成的干扰。但正压法装置系统结构复杂，建造和维护成本高。负压法装置通过真空泵组产生负压，负压与滞止压力达到临界背压比即可达到临界流状态。负压法装置直接用环境大气作为气源，通过软件修正减小环境温度、湿度产生的影响，具有气体流量稳定、投资少、能耗低、准确度高、维护方便等优点。因此，音速喷嘴法的气体流量计检定系统采用负压法设计。
1.3音速喷嘴流量的计算。根据国际标准ISO9300《MeasurementofgasflowbymeansofcriticalflowVenturinozzles》，可获得临界流文丘里喷嘴的实际质量流量公式：qm=A*·C·C*·P0RM·T0姨式中：qm为理想条件下音速喷嘴的质量流量，kg/s；A*为喉部横截面积，m2；C为流出系数；C*为临界流函数；P0为喷嘴入口处滞止绝对压力，Pa；R为通用气体常数，取8314.4J/（kmol·k）；M为气体的摩尔质量，取28.9653g/mol；T0为喷嘴入口处滞止绝对温度，K。瞬时体积流量qv计算公式：qv=A*·C·C*·P0ZTmPmMT0R姨式中：qv为瞬时体积流量，m3/s；Z为气体压缩系数，无量纲；Tm为被检表处绝对温度，K；Pm为被检表处绝对压力，Pa。1.4临界流文丘里喷嘴流量湿度补偿负压法装置是以环境大气作为气源，存在湿度的影响，因为计算流量时使用的参数是干空气的参数。因此，采用基于理想气体理论提出的修正系数进行修正。湿度修正后的气体质量流量q′m计算公式［1］：q′m=qm1-0.3778PhφP姨式中：q′m为湿度修正后的气体质量流量，kg/s；Ph为空气中水蒸气的饱和蒸汽压，Pa；φ为空气的相对湿度，%；P为当地大气压力，Pa。湿度修正后的气体密度ρ′m计算公式：ρ′m=ρm（1-0.3778PhφP）式中：ρ′m为湿度修正后的空气密度，kg/m3；ρm为空气密度，kg/m3。则，湿度修正后的气体体积流量q′v为：q′v=q′mρ′m
2基于临界流文丘里喷嘴气体流量计检定系统设计
临界流文丘里喷嘴气体流量计检定系统基于负压法方式进行设计，最大工况流量不小于6500m3/h，满足DN300及以下10种尺寸规格流量计检定。该系统的控制系统以工控机为核心，PLC模块采集温度、压力、湿度等参数，实现阀门、真空泵等设备的控制。该系统具备流量计的自动标定、数据存储等功能。
2.1结构设计。该系统主要由检测管道、滞止容器、音速喷嘴组、开关阀组、背压容器、动力系统、被检流量计检定台位、测控系统等组成。流量计检定系统如图3所示。（1）系统检测管道采用DN50、DN80、DN100、DN150、DN200、DN250、DN300共7种规格，检测管道长度按照前20D后10D设计。在音速喷嘴入口处安装过滤网防止大颗粒物质进入污染喷嘴，安装喇叭形装置用于降低入口处噪声。7个检测台位配备相应规格的气动夹表器，实现仪表的快速自动装夹。DN50检测台位兼容DN25、DN32、DN40规格的测试需求。（2）滞止容器采用大、小罐体组合模式设计，中间采用阀门联通，当检测小管径仪表的小流量点时，系统将阀门关闭，介质流经小滞止容器并通过罐体上的小音速喷嘴组对被检表小流量点进行检定，通过减小滞止容器管容，提高被检流量计在小流量检定时的稳定性，缩短稳定时间并提高计量精度。当检测小管径仪表的大流量点时，系统将中间阀门打开，介质流经大滞止容器并通过罐体上的大音速喷嘴组对被检表大流量点进行检定。（3）每只临界流文丘里喷嘴均配气动阀门用于选择，系统依据设定的流量值自动选择打开相应的阀门。临界流文丘里喷嘴规格如表1所示。（4）动力系统包括气环式真空泵、开关阀门组、真空缓冲罐、连接管路等。根据系统装置最大流量为6500m3/h的要求，系统选用3台气环式真空泵。
2.2测控系统设计。为了满足气体流量检定系统的各项要求，系统以工控机为核心，PLC控制器和双计时计数模块作为信号采集、控制终端。上位机平台通过西门子S7-300PLC进行各种数据采集、自动切换、控制相应执行机构以及完成数据处理、文件管理、数据记录打印等功能，能够可靠地实现远程操控，实现主流流量仪表、变送器数据的自动采集，并输出多路控制信号自动控制流量满足检定要求，也兼有数据处理和管理功能。系统采用高性能的A/D转换芯片，可以准确测量各测压、测温点的实时数据，保证装置的准确度；在检测过程中，实时自动采集大气压力和温、湿度数据；被检表信号采集器可以采集各种流量仪表、变送器输出的4~20mA信号、高低频脉冲信号、光电采样器信号、图像等信号；开关阀控制所有开关阀门的电源也是由控制系统本身提供，对开关阀门的控制既可以通过点击屏幕上的图形和按钮，也可以根据系统的流程自动开启，在自动检定状态下，系统可根据流量大小自动选择喷嘴组合并开闭阀门。
2.3上位机功能设计。上位机软件采用C#开发编写，通过软件平台对检定参数进行设定以及数据管理，具有自动检定和人工检定功能，检定方案可由用户增删或修改，具有开放性。在检定开始后，系统可自动完成整个过程中对装置的控制（包括流量点的切换、泵组及阀门的开闭等），快速精准地采集和处理环境、装置、被检表等设备的数据，分析得出检定结果并将检定信息存储、打印。软件平台功能如图4所示。在检定过程中，首先打开气环真空泵，设定检定方式和参数后开始检定。检定工作开始后，系统获取实验室室温和环境相对湿度，每间隔0.5s读取一次被检表处压力、温度和滞止容器的压力、温度以及背压容器的压力。显示界面实时刷新显示内容，便于实时掌握检定信息和可能的异常状态。系统获取被检表的数据后进行处理，并计算出被检表的系数和重复性。系统依据设置的最大允许误差，自动判定被检流量计是否合格，并结合相应的操作，依照规定的表格形式自动生成流量计检定记录单，过程数据和鉴定结果存储于数据库中，便于数据管理、查询、调用。
3结语
介绍了临界流文丘里喷嘴及其装置的工作原理，采用负压法设计了临界流文丘里喷嘴气体流量计检定系统。该检定系统实现了数据自动采集和检定过程的自动化控制，上位机快速精准地采集和处理环境、装置、被检表等设备的数据，分析得出检定结果并将检定信息存储、打印。实际使用结果表明，该检定系统大幅减少了人工操作的工作量，减少了人为因素的影响，提高了检定精度和效率。
［参考文献］
［1］张相山，罗艺青.音速喷嘴气体流量标准装置应用的试验研究［J］.中国测试，2012，38（6）：60-63.
作者:蒋志龙 单位:天地（常州）自动化股份有限公司
