民用飛機(jī)環(huán)境控制試驗(yàn)室流量校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

李德慶　戴錚

【摘 要】流量校準(zhǔn)裝置是環(huán)境控制試驗(yàn)室必不可少的組成部分。本文結(jié)合民用飛機(jī)環(huán)境控制試驗(yàn)室實(shí)際情況，分析了環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)所需流量校準(zhǔn)裝置的技術(shù)要求，建立了一套適用于環(huán)境控制試驗(yàn)室的音速噴嘴法氣體流量校準(zhǔn)裝置。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；環(huán)控系統(tǒng)；流量校準(zhǔn)

0 引言

流量校準(zhǔn)裝置是環(huán)境控制試驗(yàn)室必不可少的工藝設(shè)備，其主要作用是對流量計(jì)的測量誤差進(jìn)行判定，以保證流量計(jì)的精確性和可靠性。流量計(jì)的測量精度、可靠性直接關(guān)系到試驗(yàn)結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度，因此需要通過流量校準(zhǔn)裝置來標(biāo)定流量計(jì)的精度。

在開展環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)，需要使用到大量的流量計(jì)來測量氣體流量。試驗(yàn)中的氣體流量計(jì)需要經(jīng)常拆卸，但是很多流量計(jì)重新安裝后，由于安裝角度的變化，其測量精度可能將會(huì)發(fā)生變化，為了判定安裝在管路上的流量計(jì)的測量正確性，需要通過流量校準(zhǔn)裝置對流量計(jì)的測量誤差進(jìn)行判定，以保證流量計(jì)的正確性。

此外，飛機(jī)上的流量測量裝置由于受限于直管段不足的限制，往往不能按照理論公式進(jìn)行流量計(jì)算，需要通過流量校準(zhǔn)裝置對飛機(jī)上的流量測量部件和前后管路一起進(jìn)行流量標(biāo)定，計(jì)算出系統(tǒng)的流量計(jì)算公式，作為飛機(jī)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)室試驗(yàn)中使用到的流量計(jì)種類多、流量大，在試驗(yàn)中，拆卸一次流量計(jì)就進(jìn)行一次計(jì)量標(biāo)定是不現(xiàn)實(shí)的。所以需要在試驗(yàn)室中建設(shè)流量校準(zhǔn)裝置，以方便試驗(yàn)工作的快速開展。

1 技術(shù)要求

1.1 可檢測流量范圍

根據(jù)環(huán)境控制試驗(yàn)室單根供氣管路的最大流量（10000kg/h）以及后續(xù)型號(hào)發(fā)展的需要，確定流量校準(zhǔn)裝置的最大檢測流量為12000kg/h。最小檢測流量為50kg/h，主要用于低壓供氣管路的流量計(jì)校準(zhǔn)。流量校準(zhǔn)裝置的可檢測流量范圍為：50kg/h-12000kg/h。

1.2 可檢測管路口徑

校準(zhǔn)裝置采用換管式實(shí)現(xiàn)不同管路的切換，根據(jù)試驗(yàn)室的檢測流量范圍，擬定流量校準(zhǔn)裝置配置的常用檢測管路口徑為：DN50、DN100、DN150、DN200四種，若試驗(yàn)室需要校準(zhǔn)其他口徑的流量計(jì)，可通過轉(zhuǎn)接頭實(shí)現(xiàn)被試件的連接。

1.3 被檢測介質(zhì)要求

根據(jù)環(huán)控試驗(yàn)需求，流量計(jì)測量的氣體溫度范圍為-60℃～+550℃。若要滿足此要求，流量校準(zhǔn)裝置需設(shè)置加熱裝置和制冷裝置、所有部件需采用耐高溫及耐低溫材料等，將導(dǎo)致價(jià)格嚴(yán)重超出預(yù)算。所以擬采用常溫校準(zhǔn)方式，即被檢測介質(zhì)溫度為-10℃～+50℃的干空氣；介質(zhì)壓力低于0.8MPa以下，對于不在該范圍內(nèi)工作的流量計(jì)，校準(zhǔn)裝置需能自動(dòng)進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，以降低因?yàn)闇囟葔毫Σ煌瑢?dǎo)致的誤差。

1.4 裝置不確定度

根據(jù)流量計(jì)的量值傳遞，要滿足試驗(yàn)室流量計(jì)的精度需求，流量校準(zhǔn)裝置的不確定度需優(yōu)于0.5%。

1.5 現(xiàn)有資源

環(huán)控試驗(yàn)室已有總流量達(dá)20000kg/h的低壓干燥壓縮空氣，氣源儲(chǔ)氣罐出口壓力范圍為0.8MPa～0.9MPa（表壓）。

2 技術(shù)方案

通過調(diào)研國內(nèi)相關(guān)廠家，流量校準(zhǔn)裝置大多采用音速文丘利噴嘴作為計(jì)量傳遞的關(guān)鍵設(shè)備。這主要是因?yàn)橐羲賴娮熘貜?fù)性好、工作特性穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、準(zhǔn)確度高、無可動(dòng)部件、維護(hù)方便、檢定周期長（五年）等優(yōu)點(diǎn)。所以環(huán)境控制試驗(yàn)室也將采用音速噴嘴法設(shè)計(jì)該校準(zhǔn)裝置。

2.1 裝置組成及原理

音速噴嘴法氣體流量校準(zhǔn)裝置分為正壓和負(fù)壓兩種方式。負(fù)壓法是在音速噴嘴下游通過真空泵產(chǎn)生噴嘴上下游壓差，使得噴嘴喉部達(dá)到臨界流條件來獲得流經(jīng)噴嘴的流量恒定，被測件位于噴嘴的上游。正壓法是在音速噴嘴上游通過壓縮空氣產(chǎn)生噴嘴上下游壓差，使得噴嘴喉部達(dá)到臨界流條件來獲得流經(jīng)噴嘴的流量恒定，被測件一般位于噴嘴的下游。具體采用哪種方式，取決于建設(shè)單位已有的配套設(shè)施，如果已有滿足校準(zhǔn)裝置使用的氣源系統(tǒng)，則采用正壓法可以降低投資。由于環(huán)控試驗(yàn)室已有大容量氣源系統(tǒng)，故該建設(shè)項(xiàng)目選用正壓音速噴嘴法構(gòu)建氣體流量校準(zhǔn)裝置。

正壓法音速噴嘴法氣體流量校準(zhǔn)裝置的組成部件包括控制系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)、調(diào)節(jié)閥組、被檢流量計(jì)及其夾具、被檢流量計(jì)溫度計(jì)和壓力計(jì)、滯止容器、濕度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、音速噴嘴、出口容器、消音器以及閥門等，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 流量校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意

裝置工作時(shí)，經(jīng)穩(wěn)壓系統(tǒng)穩(wěn)壓后的空氣通過檢定管段和被檢流量計(jì)，進(jìn)入滯止容器，流經(jīng)臨界流文丘里噴嘴組、出口容器、最后排放到大氣中。根據(jù)檢定壓力及流量的大小，穩(wěn)壓系統(tǒng)輸出一定壓力的氣體，系統(tǒng)自動(dòng)控制選擇閥門進(jìn)行不同的噴嘴組合，確定所需的檢定流量。這一壓力能保證流經(jīng)噴嘴的氣體達(dá)到臨界狀態(tài)。裝置所復(fù)現(xiàn)的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)值為：

式中：

qm——裝置所復(fù)現(xiàn)的氣體質(zhì)量流量標(biāo)準(zhǔn)值；

qmi——通過第i個(gè)臨界流噴嘴的氣體質(zhì)量流量；

i——所選擇噴嘴的個(gè)數(shù)。

在穩(wěn)定的工況下，流經(jīng)臨界流噴嘴和被檢流量計(jì)的氣體質(zhì)量流量是相同的。檢定過程中，微機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)采集和處理臨界流噴嘴前的氣體滯止壓力和滯止溫度，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)的氣體質(zhì)量流量或累積流量，并按相關(guān)的檢定規(guī)程，將它與采集到的被檢流量計(jì)的指示值進(jìn)行比較和計(jì)算，即可得到被檢流量計(jì)在不同流量點(diǎn)的基本誤差和重復(fù)性誤差，從而實(shí)現(xiàn)對氣體流量計(jì)的檢定。

2.2 裝置檢定管線

直管段采用轉(zhuǎn)盤式換管器裝夾被檢流量計(jì)，可換管口徑為DN50、DN100、DN150、DN200，前直管段≥20D，后直管段≥10D。夾表器安裝于檢定管線入口端，檢定管段出口端引到室外，出口端向上方排放氣體，出口處安裝管道復(fù)合式消音器以降低噪聲污染。

由于小流量用的噴嘴喉徑只有幾毫米，為防止壓縮空氣中的油、水成份和塵屑而造成的淤塞，在裝置的上游進(jìn)氣端須配置過濾器，濾除來自儲(chǔ)氣罐的顆粒物，過濾精度滿足流量校準(zhǔn)裝置的使用，以保證輸出潔凈的空氣氣源。

2.3 校準(zhǔn)裝置測控系統(tǒng)

為了方便流量校準(zhǔn)裝置使用，測控系統(tǒng)采用上、下位機(jī)形式。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信號(hào)測量及部件控制。上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，主要完成數(shù)據(jù)處理、文件管理、數(shù)據(jù)記錄打印。上位機(jī)與下位機(jī)之間通過總線通訊傳輸數(shù)據(jù)。微機(jī)檢定軟件能將檢定的各個(gè)數(shù)據(jù)清晰有序的顯示在操作界面上。如噴嘴背壓比實(shí)時(shí)監(jiān)視噴嘴是否處于臨界流狀態(tài)，確保檢定數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠；被檢流量計(jì)信號(hào)的顯示可以實(shí)時(shí)顯示流量計(jì)的工作情況。通過它可以判斷流量計(jì)的接線是否正確、流量是否穩(wěn)定、工作是否正常。提高檢定的效率，減少不必要的能耗成本。所有閥門的控制，即可以通過現(xiàn)場的控制裝置實(shí)現(xiàn)，也可以通過遠(yuǎn)程的工控機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)。

校準(zhǔn)裝置的所有控制閥門包括開關(guān)閥和調(diào)節(jié)閥均采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

3 結(jié)語

由于音速噴嘴具有重復(fù)性好、工作特性穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、準(zhǔn)確度高、無可動(dòng)部件、維護(hù)方便、檢定周期長等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得音速噴嘴法氣體流量校準(zhǔn)裝置得到越來越廣的應(yīng)用。本文結(jié)合民用飛機(jī)環(huán)境控制試驗(yàn)室實(shí)際情況，建立了一套適用于環(huán)境控制試驗(yàn)室的音速噴嘴法氣體流量校準(zhǔn)裝置。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王池，王自和，張寶珠，孫淮清.流量測量技術(shù)全書[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012，6.

[2]于華偉，張永勝，劉彥軍，白銀.正壓法音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的建立[J].計(jì)測技術(shù)，2008，28（增刊）：113-115.

[責(zé)任編輯：湯靜]

【摘 要】流量校準(zhǔn)裝置是環(huán)境控制試驗(yàn)室必不可少的組成部分。本文結(jié)合民用飛機(jī)環(huán)境控制試驗(yàn)室實(shí)際情況，分析了環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)所需流量校準(zhǔn)裝置的技術(shù)要求，建立了一套適用于環(huán)境控制試驗(yàn)室的音速噴嘴法氣體流量校準(zhǔn)裝置。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；環(huán)控系統(tǒng)；流量校準(zhǔn)

0 引言

流量校準(zhǔn)裝置是環(huán)境控制試驗(yàn)室必不可少的工藝設(shè)備，其主要作用是對流量計(jì)的測量誤差進(jìn)行判定，以保證流量計(jì)的精確性和可靠性。流量計(jì)的測量精度、可靠性直接關(guān)系到試驗(yàn)結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度，因此需要通過流量校準(zhǔn)裝置來標(biāo)定流量計(jì)的精度。

在開展環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)，需要使用到大量的流量計(jì)來測量氣體流量。試驗(yàn)中的氣體流量計(jì)需要經(jīng)常拆卸，但是很多流量計(jì)重新安裝后，由于安裝角度的變化，其測量精度可能將會(huì)發(fā)生變化，為了判定安裝在管路上的流量計(jì)的測量正確性，需要通過流量校準(zhǔn)裝置對流量計(jì)的測量誤差進(jìn)行判定，以保證流量計(jì)的正確性。

此外，飛機(jī)上的流量測量裝置由于受限于直管段不足的限制，往往不能按照理論公式進(jìn)行流量計(jì)算，需要通過流量校準(zhǔn)裝置對飛機(jī)上的流量測量部件和前后管路一起進(jìn)行流量標(biāo)定，計(jì)算出系統(tǒng)的流量計(jì)算公式，作為飛機(jī)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)室試驗(yàn)中使用到的流量計(jì)種類多、流量大，在試驗(yàn)中，拆卸一次流量計(jì)就進(jìn)行一次計(jì)量標(biāo)定是不現(xiàn)實(shí)的。所以需要在試驗(yàn)室中建設(shè)流量校準(zhǔn)裝置，以方便試驗(yàn)工作的快速開展。

1 技術(shù)要求

1.1 可檢測流量范圍

根據(jù)環(huán)境控制試驗(yàn)室單根供氣管路的最大流量（10000kg/h）以及后續(xù)型號(hào)發(fā)展的需要，確定流量校準(zhǔn)裝置的最大檢測流量為12000kg/h。最小檢測流量為50kg/h，主要用于低壓供氣管路的流量計(jì)校準(zhǔn)。流量校準(zhǔn)裝置的可檢測流量范圍為：50kg/h-12000kg/h。

1.2 可檢測管路口徑

校準(zhǔn)裝置采用換管式實(shí)現(xiàn)不同管路的切換，根據(jù)試驗(yàn)室的檢測流量范圍，擬定流量校準(zhǔn)裝置配置的常用檢測管路口徑為：DN50、DN100、DN150、DN200四種，若試驗(yàn)室需要校準(zhǔn)其他口徑的流量計(jì)，可通過轉(zhuǎn)接頭實(shí)現(xiàn)被試件的連接。

1.3 被檢測介質(zhì)要求

根據(jù)環(huán)控試驗(yàn)需求，流量計(jì)測量的氣體溫度范圍為-60℃～+550℃。若要滿足此要求，流量校準(zhǔn)裝置需設(shè)置加熱裝置和制冷裝置、所有部件需采用耐高溫及耐低溫材料等，將導(dǎo)致價(jià)格嚴(yán)重超出預(yù)算。所以擬采用常溫校準(zhǔn)方式，即被檢測介質(zhì)溫度為-10℃～+50℃的干空氣；介質(zhì)壓力低于0.8MPa以下，對于不在該范圍內(nèi)工作的流量計(jì)，校準(zhǔn)裝置需能自動(dòng)進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，以降低因?yàn)闇囟葔毫Σ煌瑢?dǎo)致的誤差。

1.4 裝置不確定度

根據(jù)流量計(jì)的量值傳遞，要滿足試驗(yàn)室流量計(jì)的精度需求，流量校準(zhǔn)裝置的不確定度需優(yōu)于0.5%。

1.5 現(xiàn)有資源

環(huán)控試驗(yàn)室已有總流量達(dá)20000kg/h的低壓干燥壓縮空氣，氣源儲(chǔ)氣罐出口壓力范圍為0.8MPa～0.9MPa（表壓）。

2 技術(shù)方案

通過調(diào)研國內(nèi)相關(guān)廠家，流量校準(zhǔn)裝置大多采用音速文丘利噴嘴作為計(jì)量傳遞的關(guān)鍵設(shè)備。這主要是因?yàn)橐羲賴娮熘貜?fù)性好、工作特性穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、準(zhǔn)確度高、無可動(dòng)部件、維護(hù)方便、檢定周期長（五年）等優(yōu)點(diǎn)。所以環(huán)境控制試驗(yàn)室也將采用音速噴嘴法設(shè)計(jì)該校準(zhǔn)裝置。

2.1 裝置組成及原理

音速噴嘴法氣體流量校準(zhǔn)裝置分為正壓和負(fù)壓兩種方式。負(fù)壓法是在音速噴嘴下游通過真空泵產(chǎn)生噴嘴上下游壓差，使得噴嘴喉部達(dá)到臨界流條件來獲得流經(jīng)噴嘴的流量恒定，被測件位于噴嘴的上游。正壓法是在音速噴嘴上游通過壓縮空氣產(chǎn)生噴嘴上下游壓差，使得噴嘴喉部達(dá)到臨界流條件來獲得流經(jīng)噴嘴的流量恒定，被測件一般位于噴嘴的下游。具體采用哪種方式，取決于建設(shè)單位已有的配套設(shè)施，如果已有滿足校準(zhǔn)裝置使用的氣源系統(tǒng)，則采用正壓法可以降低投資。由于環(huán)控試驗(yàn)室已有大容量氣源系統(tǒng)，故該建設(shè)項(xiàng)目選用正壓音速噴嘴法構(gòu)建氣體流量校準(zhǔn)裝置。

正壓法音速噴嘴法氣體流量校準(zhǔn)裝置的組成部件包括控制系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)、調(diào)節(jié)閥組、被檢流量計(jì)及其夾具、被檢流量計(jì)溫度計(jì)和壓力計(jì)、滯止容器、濕度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、音速噴嘴、出口容器、消音器以及閥門等，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 流量校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意

裝置工作時(shí)，經(jīng)穩(wěn)壓系統(tǒng)穩(wěn)壓后的空氣通過檢定管段和被檢流量計(jì)，進(jìn)入滯止容器，流經(jīng)臨界流文丘里噴嘴組、出口容器、最后排放到大氣中。根據(jù)檢定壓力及流量的大小，穩(wěn)壓系統(tǒng)輸出一定壓力的氣體，系統(tǒng)自動(dòng)控制選擇閥門進(jìn)行不同的噴嘴組合，確定所需的檢定流量。這一壓力能保證流經(jīng)噴嘴的氣體達(dá)到臨界狀態(tài)。裝置所復(fù)現(xiàn)的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)值為：

式中：

qm——裝置所復(fù)現(xiàn)的氣體質(zhì)量流量標(biāo)準(zhǔn)值；

qmi——通過第i個(gè)臨界流噴嘴的氣體質(zhì)量流量；

i——所選擇噴嘴的個(gè)數(shù)。

在穩(wěn)定的工況下，流經(jīng)臨界流噴嘴和被檢流量計(jì)的氣體質(zhì)量流量是相同的。檢定過程中，微機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)采集和處理臨界流噴嘴前的氣體滯止壓力和滯止溫度，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)的氣體質(zhì)量流量或累積流量，并按相關(guān)的檢定規(guī)程，將它與采集到的被檢流量計(jì)的指示值進(jìn)行比較和計(jì)算，即可得到被檢流量計(jì)在不同流量點(diǎn)的基本誤差和重復(fù)性誤差，從而實(shí)現(xiàn)對氣體流量計(jì)的檢定。

2.2 裝置檢定管線

直管段采用轉(zhuǎn)盤式換管器裝夾被檢流量計(jì)，可換管口徑為DN50、DN100、DN150、DN200，前直管段≥20D，后直管段≥10D。夾表器安裝于檢定管線入口端，檢定管段出口端引到室外，出口端向上方排放氣體，出口處安裝管道復(fù)合式消音器以降低噪聲污染。

由于小流量用的噴嘴喉徑只有幾毫米，為防止壓縮空氣中的油、水成份和塵屑而造成的淤塞，在裝置的上游進(jìn)氣端須配置過濾器，濾除來自儲(chǔ)氣罐的顆粒物，過濾精度滿足流量校準(zhǔn)裝置的使用，以保證輸出潔凈的空氣氣源。

2.3 校準(zhǔn)裝置測控系統(tǒng)

為了方便流量校準(zhǔn)裝置使用，測控系統(tǒng)采用上、下位機(jī)形式。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信號(hào)測量及部件控制。上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，主要完成數(shù)據(jù)處理、文件管理、數(shù)據(jù)記錄打印。上位機(jī)與下位機(jī)之間通過總線通訊傳輸數(shù)據(jù)。微機(jī)檢定軟件能將檢定的各個(gè)數(shù)據(jù)清晰有序的顯示在操作界面上。如噴嘴背壓比實(shí)時(shí)監(jiān)視噴嘴是否處于臨界流狀態(tài)，確保檢定數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠；被檢流量計(jì)信號(hào)的顯示可以實(shí)時(shí)顯示流量計(jì)的工作情況。通過它可以判斷流量計(jì)的接線是否正確、流量是否穩(wěn)定、工作是否正常。提高檢定的效率，減少不必要的能耗成本。所有閥門的控制，即可以通過現(xiàn)場的控制裝置實(shí)現(xiàn)，也可以通過遠(yuǎn)程的工控機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)。

校準(zhǔn)裝置的所有控制閥門包括開關(guān)閥和調(diào)節(jié)閥均采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

3 結(jié)語

由于音速噴嘴具有重復(fù)性好、工作特性穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、準(zhǔn)確度高、無可動(dòng)部件、維護(hù)方便、檢定周期長等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得音速噴嘴法氣體流量校準(zhǔn)裝置得到越來越廣的應(yīng)用。本文結(jié)合民用飛機(jī)環(huán)境控制試驗(yàn)室實(shí)際情況，建立了一套適用于環(huán)境控制試驗(yàn)室的音速噴嘴法氣體流量校準(zhǔn)裝置。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王池，王自和，張寶珠，孫淮清.流量測量技術(shù)全書[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012，6.

[2]于華偉，張永勝，劉彥軍，白銀.正壓法音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的建立[J].計(jì)測技術(shù)，2008，28（增刊）：113-115.

[責(zé)任編輯：湯靜]

【摘 要】流量校準(zhǔn)裝置是環(huán)境控制試驗(yàn)室必不可少的組成部分。本文結(jié)合民用飛機(jī)環(huán)境控制試驗(yàn)室實(shí)際情況，分析了環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)所需流量校準(zhǔn)裝置的技術(shù)要求，建立了一套適用于環(huán)境控制試驗(yàn)室的音速噴嘴法氣體流量校準(zhǔn)裝置。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；環(huán)控系統(tǒng)；流量校準(zhǔn)

0 引言

流量校準(zhǔn)裝置是環(huán)境控制試驗(yàn)室必不可少的工藝設(shè)備，其主要作用是對流量計(jì)的測量誤差進(jìn)行判定，以保證流量計(jì)的精確性和可靠性。流量計(jì)的測量精度、可靠性直接關(guān)系到試驗(yàn)結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度，因此需要通過流量校準(zhǔn)裝置來標(biāo)定流量計(jì)的精度。

在開展環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)，需要使用到大量的流量計(jì)來測量氣體流量。試驗(yàn)中的氣體流量計(jì)需要經(jīng)常拆卸，但是很多流量計(jì)重新安裝后，由于安裝角度的變化，其測量精度可能將會(huì)發(fā)生變化，為了判定安裝在管路上的流量計(jì)的測量正確性，需要通過流量校準(zhǔn)裝置對流量計(jì)的測量誤差進(jìn)行判定，以保證流量計(jì)的正確性。

此外，飛機(jī)上的流量測量裝置由于受限于直管段不足的限制，往往不能按照理論公式進(jìn)行流量計(jì)算，需要通過流量校準(zhǔn)裝置對飛機(jī)上的流量測量部件和前后管路一起進(jìn)行流量標(biāo)定，計(jì)算出系統(tǒng)的流量計(jì)算公式，作為飛機(jī)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)室試驗(yàn)中使用到的流量計(jì)種類多、流量大，在試驗(yàn)中，拆卸一次流量計(jì)就進(jìn)行一次計(jì)量標(biāo)定是不現(xiàn)實(shí)的。所以需要在試驗(yàn)室中建設(shè)流量校準(zhǔn)裝置，以方便試驗(yàn)工作的快速開展。

1 技術(shù)要求

1.1 可檢測流量范圍

根據(jù)環(huán)境控制試驗(yàn)室單根供氣管路的最大流量（10000kg/h）以及后續(xù)型號(hào)發(fā)展的需要，確定流量校準(zhǔn)裝置的最大檢測流量為12000kg/h。最小檢測流量為50kg/h，主要用于低壓供氣管路的流量計(jì)校準(zhǔn)。流量校準(zhǔn)裝置的可檢測流量范圍為：50kg/h-12000kg/h。

1.2 可檢測管路口徑

校準(zhǔn)裝置采用換管式實(shí)現(xiàn)不同管路的切換，根據(jù)試驗(yàn)室的檢測流量范圍，擬定流量校準(zhǔn)裝置配置的常用檢測管路口徑為：DN50、DN100、DN150、DN200四種，若試驗(yàn)室需要校準(zhǔn)其他口徑的流量計(jì)，可通過轉(zhuǎn)接頭實(shí)現(xiàn)被試件的連接。

1.3 被檢測介質(zhì)要求

根據(jù)環(huán)控試驗(yàn)需求，流量計(jì)測量的氣體溫度范圍為-60℃～+550℃。若要滿足此要求，流量校準(zhǔn)裝置需設(shè)置加熱裝置和制冷裝置、所有部件需采用耐高溫及耐低溫材料等，將導(dǎo)致價(jià)格嚴(yán)重超出預(yù)算。所以擬采用常溫校準(zhǔn)方式，即被檢測介質(zhì)溫度為-10℃～+50℃的干空氣；介質(zhì)壓力低于0.8MPa以下，對于不在該范圍內(nèi)工作的流量計(jì)，校準(zhǔn)裝置需能自動(dòng)進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，以降低因?yàn)闇囟葔毫Σ煌瑢?dǎo)致的誤差。

1.4 裝置不確定度

根據(jù)流量計(jì)的量值傳遞，要滿足試驗(yàn)室流量計(jì)的精度需求，流量校準(zhǔn)裝置的不確定度需優(yōu)于0.5%。

1.5 現(xiàn)有資源

環(huán)控試驗(yàn)室已有總流量達(dá)20000kg/h的低壓干燥壓縮空氣，氣源儲(chǔ)氣罐出口壓力范圍為0.8MPa～0.9MPa（表壓）。

2 技術(shù)方案

通過調(diào)研國內(nèi)相關(guān)廠家，流量校準(zhǔn)裝置大多采用音速文丘利噴嘴作為計(jì)量傳遞的關(guān)鍵設(shè)備。這主要是因?yàn)橐羲賴娮熘貜?fù)性好、工作特性穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、準(zhǔn)確度高、無可動(dòng)部件、維護(hù)方便、檢定周期長（五年）等優(yōu)點(diǎn)。所以環(huán)境控制試驗(yàn)室也將采用音速噴嘴法設(shè)計(jì)該校準(zhǔn)裝置。

2.1 裝置組成及原理

音速噴嘴法氣體流量校準(zhǔn)裝置分為正壓和負(fù)壓兩種方式。負(fù)壓法是在音速噴嘴下游通過真空泵產(chǎn)生噴嘴上下游壓差，使得噴嘴喉部達(dá)到臨界流條件來獲得流經(jīng)噴嘴的流量恒定，被測件位于噴嘴的上游。正壓法是在音速噴嘴上游通過壓縮空氣產(chǎn)生噴嘴上下游壓差，使得噴嘴喉部達(dá)到臨界流條件來獲得流經(jīng)噴嘴的流量恒定，被測件一般位于噴嘴的下游。具體采用哪種方式，取決于建設(shè)單位已有的配套設(shè)施，如果已有滿足校準(zhǔn)裝置使用的氣源系統(tǒng)，則采用正壓法可以降低投資。由于環(huán)控試驗(yàn)室已有大容量氣源系統(tǒng)，故該建設(shè)項(xiàng)目選用正壓音速噴嘴法構(gòu)建氣體流量校準(zhǔn)裝置。

正壓法音速噴嘴法氣體流量校準(zhǔn)裝置的組成部件包括控制系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)、調(diào)節(jié)閥組、被檢流量計(jì)及其夾具、被檢流量計(jì)溫度計(jì)和壓力計(jì)、滯止容器、濕度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、音速噴嘴、出口容器、消音器以及閥門等，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 流量校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意

裝置工作時(shí)，經(jīng)穩(wěn)壓系統(tǒng)穩(wěn)壓后的空氣通過檢定管段和被檢流量計(jì)，進(jìn)入滯止容器，流經(jīng)臨界流文丘里噴嘴組、出口容器、最后排放到大氣中。根據(jù)檢定壓力及流量的大小，穩(wěn)壓系統(tǒng)輸出一定壓力的氣體，系統(tǒng)自動(dòng)控制選擇閥門進(jìn)行不同的噴嘴組合，確定所需的檢定流量。這一壓力能保證流經(jīng)噴嘴的氣體達(dá)到臨界狀態(tài)。裝置所復(fù)現(xiàn)的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)值為：

式中：

qm——裝置所復(fù)現(xiàn)的氣體質(zhì)量流量標(biāo)準(zhǔn)值；

qmi——通過第i個(gè)臨界流噴嘴的氣體質(zhì)量流量；

i——所選擇噴嘴的個(gè)數(shù)。

在穩(wěn)定的工況下，流經(jīng)臨界流噴嘴和被檢流量計(jì)的氣體質(zhì)量流量是相同的。檢定過程中，微機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)采集和處理臨界流噴嘴前的氣體滯止壓力和滯止溫度，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)的氣體質(zhì)量流量或累積流量，并按相關(guān)的檢定規(guī)程，將它與采集到的被檢流量計(jì)的指示值進(jìn)行比較和計(jì)算，即可得到被檢流量計(jì)在不同流量點(diǎn)的基本誤差和重復(fù)性誤差，從而實(shí)現(xiàn)對氣體流量計(jì)的檢定。

2.2 裝置檢定管線

直管段采用轉(zhuǎn)盤式換管器裝夾被檢流量計(jì)，可換管口徑為DN50、DN100、DN150、DN200，前直管段≥20D，后直管段≥10D。夾表器安裝于檢定管線入口端，檢定管段出口端引到室外，出口端向上方排放氣體，出口處安裝管道復(fù)合式消音器以降低噪聲污染。

由于小流量用的噴嘴喉徑只有幾毫米，為防止壓縮空氣中的油、水成份和塵屑而造成的淤塞，在裝置的上游進(jìn)氣端須配置過濾器，濾除來自儲(chǔ)氣罐的顆粒物，過濾精度滿足流量校準(zhǔn)裝置的使用，以保證輸出潔凈的空氣氣源。

2.3 校準(zhǔn)裝置測控系統(tǒng)

為了方便流量校準(zhǔn)裝置使用，測控系統(tǒng)采用上、下位機(jī)形式。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信號(hào)測量及部件控制。上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，主要完成數(shù)據(jù)處理、文件管理、數(shù)據(jù)記錄打印。上位機(jī)與下位機(jī)之間通過總線通訊傳輸數(shù)據(jù)。微機(jī)檢定軟件能將檢定的各個(gè)數(shù)據(jù)清晰有序的顯示在操作界面上。如噴嘴背壓比實(shí)時(shí)監(jiān)視噴嘴是否處于臨界流狀態(tài)，確保檢定數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠；被檢流量計(jì)信號(hào)的顯示可以實(shí)時(shí)顯示流量計(jì)的工作情況。通過它可以判斷流量計(jì)的接線是否正確、流量是否穩(wěn)定、工作是否正常。提高檢定的效率，減少不必要的能耗成本。所有閥門的控制，即可以通過現(xiàn)場的控制裝置實(shí)現(xiàn)，也可以通過遠(yuǎn)程的工控機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)。

校準(zhǔn)裝置的所有控制閥門包括開關(guān)閥和調(diào)節(jié)閥均采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

3 結(jié)語

由于音速噴嘴具有重復(fù)性好、工作特性穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、準(zhǔn)確度高、無可動(dòng)部件、維護(hù)方便、檢定周期長等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得音速噴嘴法氣體流量校準(zhǔn)裝置得到越來越廣的應(yīng)用。本文結(jié)合民用飛機(jī)環(huán)境控制試驗(yàn)室實(shí)際情況，建立了一套適用于環(huán)境控制試驗(yàn)室的音速噴嘴法氣體流量校準(zhǔn)裝置。

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[責(zé)任編輯：湯靜]