音速噴嘴法氣體流量計自動檢定系統的設計與實現

葛穎奇 毛謙敏 鄭慧峰 黃智慧

(中國計量學院計量測試工程學院1，浙江 杭州 310018;浙江蒼南儀表廠2，浙江 溫州 325800)

0 引言

面對國內外能源危機的挑戰，氣體流量計量受到人們越來越多的重視，氣體流量儀表的使用也愈加廣泛，故發展氣體流量儀表已成為我國流量計量儀表發展的重點。為保證氣體流量儀表的質量和使用時的準確度，計量法將氣體流量計、蒸汽流量計均列入強制檢定范圍。因此，氣體流量計在出廠或使用前，必須在標準裝置上對其標稱的計量性能進行測試或檢定［1－2］。

采用音速噴嘴法的氣體流量標準裝置，以其結構簡單、性能穩定、準確度高和維護方便等特點，在氣體流量計檢定和校準中得到廣泛的應用［3］。自20世紀70年代以來，國內外許多單位開展了對音速噴嘴的研究，并在一些部門取得成功應用;同時，基于音速噴嘴的氣體流量計檢定裝置不斷應用于實踐生產中，使得音速噴嘴漸漸成為人們關注的重點［4－5］。目前，音速噴嘴法氣體流量標準裝置已成為開展氣體流量計量的主流標準裝置，全國范圍內已擁有大量采用音速噴嘴法的標準裝置［6－7］。

基于音速噴嘴的標準裝置有正壓法和負壓法之分。負壓法直接用大氣作為氣源，雖然檢定流量范圍受到限制，但具有氣體流量穩定、投資少、能耗低的優點，因而得到普遍的應用［8］。因此，我們確定采用負壓法設計基于音速噴嘴的氣體流量計自動檢定系統。

1 系統工作原理

1.1 音速噴嘴的工作原理

音速噴嘴結構如圖1所示。

圖1 音速噴嘴結構Fig.1 Structure of sonic nozzle

圖1中，孔徑最小的部分稱為噴嘴的喉部，在喉部的后面有孔徑逐漸擴大的流道。其中，P1為音速噴嘴的下游出口背壓，P0為音速噴嘴的上游入口滯止壓力，兩者的比值P1/P0為節流壓力比β。

空氣動力學理論表明［9］，保持噴嘴上游的滯止壓力不變，不斷降低噴嘴的出口背壓，開始時噴嘴流量不斷增加，但當噴嘴出口背壓降到某一值時，噴嘴喉部流速達到音速，通過噴嘴的流量將達到最大，進一步降低出口背壓將不能使噴嘴的流量增加，此時的狀態稱為臨界流狀態。通過噴嘴的流量剛剛達到最大時，噴嘴出口背壓稱為臨界背壓，它與滯止壓力之比稱為臨界背壓比。只有在節流壓力比β低于臨界背壓比時，通過噴嘴的流量才能保持穩定。

1.2 標準裝置的工作原理

標準裝置由音速噴嘴容器裝置系統、真空負壓站、數據采集及工控機控制系統組成。裝置采用國際標準ISO 9300中的音速噴嘴作為標準表，工作方式為吸氣式、負壓標定，直接以大氣作為氣源。檢定裝置結構如圖2所示。

圖2 檢定裝置結構圖Fig.2 Structure of the calibration system

各檢定管道上裝有溫度、壓力變送器，用于采集流量計處的溫度和壓力信號。滯止容器里裝有采集噴嘴滯止溫度、壓力信號的溫度變速器和壓力變送器。匯合容器內裝有采集噴嘴背壓的壓力變送器。真空負壓站使噴嘴工作在臨界流狀態下。根據連續性原理，通過被檢流量計的氣體質量流量一定等于通過噴嘴的氣體質量流量。工控機控制數據采集系統進行數據采集，由噴嘴滯止溫度、壓力得到質量流量，再由環境溫度、大氣壓力、流量計處溫度壓力算出氣體在流量計處密度，從而得到氣體在流量計處的實際體積流量，即標準體積流量，然后和流量計測得的流量進行對比，根據檢定規則得出檢定結果。

1.3 流量計算

由理想氣體的一維、等熵流動理論可得，流過音速噴嘴的氣體質量流量qm為:

式中:d為噴嘴的喉部直徑;Cd為噴嘴的流出系數;C*為臨界流函數;P0、T0為噴嘴入口處的滯止壓力和滯止溫度;R為通用氣體常數;M為氣體的摩爾質量。氣體在流量計處密度ρm為:

式中:ρn為環境條件下大氣密度;Pm、Tm為被檢流量計處壓力和溫度;Pn、Tn為環境條件下大氣壓和環境溫度。由于通過被檢流量計的氣體質量流量等于通過噴嘴的氣體質量流量，所以氣體在流量計處的體積流量qv(單位:m3/s)為:

1.4 濕度修正

對于負壓法裝置，檢定中使用的是未干燥的濕空氣，而計算流量時使用的參數卻是干空氣的參數。因此，需要對計算流量進行修正［10－12］。經濕度修正的氣體質量流量q'm為:

式中:φ為空氣的相對濕度;P為當地大氣壓;PH為空氣中水蒸氣的飽和蒸汽壓。

經濕度修正的氣體在流量計處的密度ρ'm為:

經濕度修正的氣體在流量計處的體積流量q'v為:

2 系統設計

系統以工控機為核心，采集溫度、壓力、濕度等信號，控制噴嘴及真空泵等硬件設備。工控機通過數據處理，實現對9個不同通徑的流量計的自動標定，得出檢定結果，檢定數據入庫以備查詢。

2.1 硬件部分設計

硬件部分主要實現數據采集和控制功能，可采集檢定所需的噴嘴滯止溫度壓力、噴嘴背壓、流量計處溫度壓力、大氣溫度壓力和濕度等信號，并控制相關設備的開關動作。

2.1.1 數據采集部分

數據采集部分包括采集滯止容器溫度壓力、匯合容器壓力、大氣壓力溫度和濕度、被檢流量計處溫度壓力、被檢流量計處壓損、被檢流量計頻率信號、被檢流量計的模擬輸出量。數據采集過程中，共需采集3～30 V脈沖量1路，4～20 mA模擬量15路(含7路壓力、6路溫度、1路濕度、1路流量計模擬輸出量)。系統采用PCIe-6320多功能數據采集卡進行信號采集。該卡具有分辨率為16位的16路模擬輸入，可對壓力溫度等模擬量進行采集;并有4路32位計數器/定時器，可對流量計頻率信號進行采集。

2.1.2 控制部分

控制部分包括控制檢定管道切換、噴嘴閥門開關和水環式真空泵開關。系統需根據不同的流量點對4臺水環式真空泵和16個噴嘴的開關進行控制并檢測其開關狀態，檢定管道切換時需控制相應的采集信號切換。系統采用PCI-1762輸入輸出卡和ADAM 4055隔離數字量輸入輸出模塊進行控制。PCI-1762是一款PCI總線的繼電器輸出及隔離數字量輸入卡，它提供了16路光隔離數字量輸入，并帶有16個單刀雙擲繼電器，可用作開關控制和狀態檢測。水環式真空泵和其他一些輔助設備的開關控制和狀態檢測采用PCI-1762。ADAM 4055提供8路隔離數字量輸入和8路隔離數字量輸出。系統采用5個ADAM 4055模塊控制檢定管道切換和16個音速噴嘴的開關及其狀態檢測。ADAM 4055采用RS-485通信方式。系統采用ADAM 4520模塊進行RS-232/RS-485轉換，由工控機串口進行通信并發送上位機控制指令。

2.2 上位機軟件設計

上位機選用研華工控機，以控制數據采集并處理采集數據，并在上位機軟件中對檢定參數進行設定及對檢定數據進行管理。上位機軟件在VC++環境下設計開發，檢定完成后數據采用SQL Server數據庫進行管理。

上位機系統框圖如圖3所示。

圖3 上位機系統框圖Fig.3 Block diagram of the host computer system

開始檢定前，系統參數設置模塊進行傳感器參數的設置和恢復，檢定信息錄入模塊用于操作者輸入檢定所需參數。開始檢定后，根據設定的流量大小自動打開所需的噴嘴閥門，驅動數據采集部分采集處理溫度、壓力等信號，計算出流過被檢流量計的質量流量和工作狀態及標準狀態下的體積流量，并與被檢流量計測得的流量值比較，得出被檢流量計的流量系數、線性誤差、重復性誤差和準確度。檢定完成后，檢定結果存入SQL Server數據庫。系統提供數據查詢和報表打印功能。設計用戶登錄界面時，系統根據登錄用戶的屬性分配相應的人員管理操作權限。

3 系統實現

3.1 檢定流程

檢定過程中，首先打開水泵，待有信號反饋時再打開真空泵，設定檢定方式和參數后開始檢定。檢定流程如圖4所示。

圖4 檢定流程圖Fig.4 Flowchart of calibration

檢定開始后，系統自動檢測一次室溫和環境相對濕度，且每隔0.5 s檢測一次流量計處壓力和溫度、噴嘴滯止壓力和溫度以及噴嘴出口背壓，并每隔3 s對相應參數進行刷新顯示，便于操作人員掌握更多的檢定信息，以便及時對異常狀態進行排查。在檢定數據返回以后，由上位機對檢定數據進行處理，并計算出被檢流量計的儀表系數和重復性。

按被檢流量計的形式和檢定的方法，系統依照規定的表格形式自動生成流量計檢定記錄單，并存儲于數據庫中，便于數據查詢、調用和打印輸出。按事先約定的流量計最大允許誤差，系統自動判定被檢流量計是否合格，并結合相應的操作，根據系統判定的結果，按規定格式打印輸出被檢流量計檢定證書。

3.2 檢定結果

結合A類儀表檢定，取2個精度為2.5級的流量計來進行檢定試驗，流量計1的流量范圍為320～6500 m3/h，流量計2的流量范圍為32～650 m3/h。

① 流量計1分別在流量值為6500、2600、1300和320(單位:m3/h)的4個流量點上進行標定，每個點的檢定次數為3次，檢定結果如表1所示。

② 流量計2分別在流量值為650、260、130和32(單位:m3/h)的四個流量點上進行標定，每個點的檢定次數為2次，檢定結果如表2所示。

兩個被檢流量計的檢定結果對比如表3所示。由表3可知，流量計1的直線度誤差大于2.5%，因此，流量計1判定不合格，流量計2判定合格。多次試驗證實系統工作穩定、操作簡單，提高了檢定效率和精度。

表1 流量計1的檢定結果Tab.1 Calibration results of flowmeter#1

表2 流量計2的檢定結果Tab.2 Calibration results of flowmeter#2

表3 檢定結果對比Tab.3 Comparison of the calibration results

4 結束語

基于音速噴嘴的負壓法氣體流量計檢定系統，可實現自動數據采集與檢定過程的自動控制;上位機對采集數據進行處理，得出檢定結果，并把檢定信息入庫保存;軟件界面友好、直觀，便于使用。實際應用中的檢定結果表明，本裝置在保證檢定精度的前提下，減少了人為操作，大大提高了檢定效率。

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