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［摘要］針對目前氣體流量計檢定過程效率低、精度低的問題，設計了臨界流文丘里噴嘴氣體流量計檢定系統。介紹了臨界流文丘里噴嘴及其裝置的工作原理，提出了采用負壓法工作原理建設一套最大流量為6500m3/h的檢定系統設計方案，上位機軟件平臺通過PLC實現數據采集與設備控制，系統實現了數據自動采集與檢定過程的自動控制。
［關鍵詞］氣體流量計；負壓法；噴嘴；檢定
0引言
目前氣體流量計被廣泛應用于能源領域，在氣體計量、貿易結算及過程控制中發揮了重要的作用。為保證氣體流量儀表的可靠性和準確度，《中華人民共和國計量法》將氣體流量計、蒸汽流量計均列入強制檢定范圍。在氣體流量計檢定和校準領域，音速噴嘴法氣體流量標準裝置以其結構簡單、性能穩定和維護簡單等特點得到了廣泛的應用。隨著計算機、自動化技術的發展并與音速噴嘴氣體流量技術相結合，高度自動化的音速噴嘴法氣體流量標準裝置已成為主要標準裝置。
1系統工作原理
1.1音速噴嘴的工作原理。臨界流文丘里噴嘴又稱“音速噴嘴”，其結構如圖1所示。圖1中孔徑最小處為噴嘴的喉部，當喉部上游的P0處壓力值（入口滯止壓力）不變時，逐步降低P1處壓力值（出口背壓），此時通過噴嘴處的流量逐步增大。但當P1處壓力降低到某一壓力值時，氣體通過喉部的流速達到音速，通過噴嘴處的流量值達到最大，此時的狀態稱為臨界流狀態。在臨界流狀態時，P1處壓力又稱為臨界背壓，它與P0處滯止壓力的比值被稱為臨界背壓比。P1壓力與P0壓力的比值被稱為節流壓力比β。當β小于臨界背壓比時，通過噴嘴處的流量一直保持平穩，臨界流狀態時的流量與音速噴嘴入口處氣體的性質和熱力學狀態（溫度和壓力）有關，噴嘴出口處氣體的變化不影響流量。
1.2音速噴嘴裝置的工作方法。臨界流文丘里噴嘴法的標準流量裝置分為正壓法和負壓法2種,其裝置的基本組成系統如圖2所示。正壓法裝置以空氣壓縮機組為動力氣源，并由壓力罐及壓力調節系統為測試管段提供持續、穩定的氣源，可避免氣體潔凈度和濕度對測量精度造成的干擾。但正壓法裝置系統結構復雜，建造和維護成本高。負壓法裝置通過真空泵組產生負壓，負壓與滯止壓力達到臨界背壓比即可達到臨界流狀態。負壓法裝置直接用環境大氣作為氣源，通過軟件修正減小環境溫度、濕度產生的影響，具有氣體流量穩定、投資少、能耗低、準確度高、維護方便等優點。因此，音速噴嘴法的氣體流量計檢定系統采用負壓法設計。
1.3音速噴嘴流量的計算。根據國際標準ISO9300《MeasurementofgasflowbymeansofcriticalflowVenturinozzles》，可獲得臨界流文丘里噴嘴的實際質量流量公式：qm=A*·C·C*·P0RM·T0姨式中：qm為理想條件下音速噴嘴的質量流量，kg/s；A*為喉部橫截面積，m2；C為流出系數；C*為臨界流函數；P0為噴嘴入口處滯止絕對壓力，Pa；R為通用氣體常數，取8314.4J/（kmol·k）；M為氣體的摩爾質量，取28.9653g/mol；T0為噴嘴入口處滯止絕對溫度，K。瞬時體積流量qv計算公式：qv=A*·C·C*·P0ZTmPmMT0R姨式中：qv為瞬時體積流量，m3/s；Z為氣體壓縮系數，無量綱；Tm為被檢表處絕對溫度，K；Pm為被檢表處絕對壓力，Pa。1.4臨界流文丘里噴嘴流量濕度補償負壓法裝置是以環境大氣作為氣源，存在濕度的影響，因為計算流量時使用的參數是干空氣的參數。因此，采用基于理想氣體理論提出的修正系數進行修正。濕度修正后的氣體質量流量q′m計算公式［1］：q′m=qm1-0.3778PhφP姨式中：q′m為濕度修正后的氣體質量流量，kg/s；Ph為空氣中水蒸氣的飽和蒸汽壓，Pa；φ為空氣的相對濕度，%；P為當地大氣壓力，Pa。濕度修正后的氣體密度ρ′m計算公式：ρ′m=ρm（1-0.3778PhφP）式中：ρ′m為濕度修正后的空氣密度，kg/m3；ρm為空氣密度，kg/m3。則，濕度修正后的氣體體積流量q′v為：q′v=q′mρ′m
2基于臨界流文丘里噴嘴氣體流量計檢定系統設計
臨界流文丘里噴嘴氣體流量計檢定系統基于負壓法方式進行設計，最大工況流量不小于6500m3/h，滿足DN300及以下10種尺寸規格流量計檢定。該系統的控制系統以工控機為核心，PLC模塊采集溫度、壓力、濕度等參數，實現閥門、真空泵等設備的控制。該系統具備流量計的自動標定、數據存儲等功能。
2.1結構設計。該系統主要由檢測管道、滯止容器、音速噴嘴組、開關閥組、背壓容器、動力系統、被檢流量計檢定臺位、測控系統等組成。流量計檢定系統如圖3所示。（1）系統檢測管道采用DN50、DN80、DN100、DN150、DN200、DN250、DN300共7種規格，檢測管道長度按照前20D后10D設計。在音速噴嘴入口處安裝過濾網防止大顆粒物質進入污染噴嘴，安裝喇叭形裝置用于降低入口處噪聲。7個檢測臺位配備相應規格的氣動夾表器，實現儀表的快速自動裝夾。DN50檢測臺位兼容DN25、DN32、DN40規格的測試需求。（2）滯止容器采用大、小罐體組合模式設計，中間采用閥門聯通，當檢測小管徑儀表的小流量點時，系統將閥門關閉，介質流經小滯止容器并通過罐體上的小音速噴嘴組對被檢表小流量點進行檢定，通過減小滯止容器管容，提高被檢流量計在小流量檢定時的穩定性，縮短穩定時間并提高計量精度。當檢測小管徑儀表的大流量點時，系統將中間閥門打開，介質流經大滯止容器并通過罐體上的大音速噴嘴組對被檢表大流量點進行檢定。（3）每只臨界流文丘里噴嘴均配氣動閥門用于選擇，系統依據設定的流量值自動選擇打開相應的閥門。臨界流文丘里噴嘴規格如表1所示。（4）動力系統包括氣環式真空泵、開關閥門組、真空緩沖罐、連接管路等。根據系統裝置最大流量為6500m3/h的要求，系統選用3臺氣環式真空泵。
2.2測控系統設計。為了滿足氣體流量檢定系統的各項要求，系統以工控機為核心，PLC控制器和雙計時計數模塊作為信號采集、控制終端。上位機平臺通過西門子S7-300PLC進行各種數據采集、自動切換、控制相應執行機構以及完成數據處理、文件管理、數據記錄打印等功能，能夠可靠地實現遠程操控，實現主流流量儀表、變送器數據的自動采集，并輸出多路控制信號自動控制流量滿足檢定要求，也兼有數據處理和管理功能。系統采用高性能的A/D轉換芯片，可以準確測量各測壓、測溫點的實時數據，保證裝置的準確度；在檢測過程中，實時自動采集大氣壓力和溫、濕度數據；被檢表信號采集器可以采集各種流量儀表、變送器輸出的4~20mA信號、高低頻脈沖信號、光電采樣器信號、圖像等信號；開關閥控制所有開關閥門的電源也是由控制系統本身提供，對開關閥門的控制既可以通過點擊屏幕上的圖形和按鈕，也可以根據系統的流程自動開啟，在自動檢定狀態下，系統可根據流量大小自動選擇噴嘴組合并開閉閥門。
2.3上位機功能設計。上位機軟件采用C#開發編寫，通過軟件平臺對檢定參數進行設定以及數據管理，具有自動檢定和人工檢定功能，檢定方案可由用戶增刪或修改，具有開放性。在檢定開始后，系統可自動完成整個過程中對裝置的控制（包括流量點的切換、泵組及閥門的開閉等），快速精準地采集和處理環境、裝置、被檢表等設備的數據，分析得出檢定結果并將檢定信息存儲、打印。軟件平臺功能如圖4所示。在檢定過程中，首先打開氣環真空泵，設定檢定方式和參數后開始檢定。檢定工作開始后，系統獲取實驗室室溫和環境相對濕度，每間隔0.5s讀取一次被檢表處壓力、溫度和滯止容器的壓力、溫度以及背壓容器的壓力。顯示界面實時刷新顯示內容，便于實時掌握檢定信息和可能的異常狀態。系統獲取被檢表的數據后進行處理，并計算出被檢表的系數和重復性。系統依據設置的最大允許誤差，自動判定被檢流量計是否合格，并結合相應的操作，依照規定的表格形式自動生成流量計檢定記錄單，過程數據和鑒定結果存儲于數據庫中，便于數據管理、查詢、調用。
3結語
介紹了臨界流文丘里噴嘴及其裝置的工作原理，采用負壓法設計了臨界流文丘里噴嘴氣體流量計檢定系統。該檢定系統實現了數據自動采集和檢定過程的自動化控制，上位機快速精準地采集和處理環境、裝置、被檢表等設備的數據，分析得出檢定結果并將檢定信息存儲、打印。實際使用結果表明，該檢定系統大幅減少了人工操作的工作量，減少了人為因素的影響，提高了檢定精度和效率。
［參考文獻］
［1］張相山，羅藝青.音速噴嘴氣體流量標準裝置應用的試驗研究［J］.中國測試，2012，38（6）：60-63.
作者:蔣志龍 單位:天地（常州）自動化股份有限公司
