音速喷嘴流量计的误差分析

　　随着科技不断进步，产品不断更新，热工仪表也在不断的更新换代。其中节流装置的种类更是多到让用户眼花缭乱，用户不知从何处下手选择节流装置的类型。今天西安华恒仪表厂家为广大用户带来了音速喷嘴流量计的误差分析的文章。

　　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。

　　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。

　　－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；

　　－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；

　　－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

　　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。

　　误差分析

　　根据式（1），整个装置的不确定度为

　　流出系数

　　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]为

　　                   （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%。

　　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，EC0.2%。

　　摩尔质量

　　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。

　　喷嘴喉部内截面积

　　根据临界流流量计检定规程[4]，Ed0.1%，所以，EA=20.2％。

　　滞止绝对压力

　　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。

　　在中，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）

　　相信通过以上音速喷嘴流量计的误差分析的全部容，能够使大家有一个较为全面的认识，对选择合适的音速喷嘴流量计有所帮助。如有疑问，可以随时联系我们。

　　华恒语录：不是幡动，是尔心动。这世界的是是非非很多，只要你自己不听，也就没有了。