淺析音速噴嘴裝置中噴嘴間的相互影響

李鵬，暴冰，李春輝

(1.北京市計量檢測科學研究院，北京100029；2.河南省計量科學研究院，

河南 鄭州450008；3.中國計量科學研究院，北京100013)

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淺析音速噴嘴裝置中噴嘴間的相互影響

李鵬1，暴冰2，李春輝3

(1.北京市計量檢測科學研究院，北京100029；2.河南省計量科學研究院，

河南 鄭州450008；3.中國計量科學研究院，北京100013)

摘要：目前采用音速噴嘴作為傳遞標準的氣體流量標準裝置被國內外檢測機構廣泛使用。在使用時，將根據需要的流量使用單個或多個噴嘴組合。與國外音速噴嘴的實際應用相比較，國內裝置在噴嘴的安裝方式、結構排列和上游設計方面多有不同。在對裝置進行不確定度評定時，需要考慮噴嘴間相互影響(包括數量和位置等)對流量不確定度的影響。本文基于國內兩套音速噴嘴法氣體流量標準裝置，利用單個、多個噴嘴的組合，測得兩組相近流量點下渦輪流量計儀表系數，計算出不同組合的儀表系數偏差。本文考慮了實驗時各組實際體積流量差值的影響，利用曲線擬合的方法，擬合出渦輪流量計儀表系數特性曲線，給出擬合方程式。將流量不同帶來的影響剔除，最終給出噴嘴間相互影響帶來的偏差，兩套裝置得出由此影響帶來的不確定度為0.02%和0.07%。因此，在對音速噴嘴裝置進行不確定度分析時應考慮這一分量。此外，通過相近流量不同噴嘴的組合對流量計進行檢測，可以發現和找出噴嘴的問題，也是一種裝置期間核查的好辦法。

關鍵詞：音速噴嘴；擬合曲線；噴嘴組合；不確定度；相關性

1研究背景

我們習慣將臨界流文丘里管稱為音速噴嘴。關于音速噴嘴的結構和流出系數測定的研究早在20世紀50年代就已開始。通過持續地研究，人們利用多個噴嘴的組合實現更大范圍流量的測量。此時，噴嘴的數量和位置及流出系數，即噴嘴之間的相互影響是需要考慮的。

1986年，波音公司設計了一套流量傳遞標準，使用162個有相同喉徑的音速噴嘴。試驗得出單個噴組流出系數的不確定度為0.07%，噴嘴組合的不確定度為0.05%，而且從理論上講可以同時使用更多相同喉部尺寸的音速噴嘴[1]。福特公司設計了類似試驗，分別使用了5個不同構造的噴嘴組合，在三個不同時間段進行了15次試驗研究長期的重復性。在管道中的單個噴嘴與多噴嘴室的試驗結果沒有明顯差異。由于溫度測量和壓力測量的系統因素影響，在不確定度與噴嘴數量之間出現了相關性。而且在高雷諾數下確有種現象或相關性導致了不確定度增加[2]。

韓國學者對噴嘴間的相關性進行了研究[3-4]。首先，他們將7個同喉部尺寸的噴嘴緊密安裝在一個圓盤上，只要噴嘴中心間距與喉部直徑比L/d≥3.7而且噴嘴與盤邊緣距離≥2.3d，多個噴嘴組合的效果可以通過單一噴嘴測量得到。試驗結果也認為噴嘴的間距可以比4.4d更小。其次，還將三個不同喉徑的噴嘴安裝在一個圓盤上，噴嘴間距在2.1d且噴嘴距盤邊緣1.5d時，大喉徑噴嘴對小喉徑噴嘴沒有影響(d為最大喉徑的噴嘴)。

NIST使用噴嘴作為流量傳遞標準，利用3次不同噴嘴的盤狀排布方式，通過4步將流量基準量值傳遞至天然氣流量標準，最終實現對工作計量器具的量傳[5]。

在國內，音速噴嘴法氣體流量標準裝置被廣泛應用。國內裝置與上述應用噴嘴技術的國外裝置相比有很大的不同，國外在使用噴嘴時將其全部安裝在一個圓盤上(見圖1)，再將整個圓盤安裝到管路中，根據需要的流量設計相應圓盤。

圖1　國外用于研究噴嘴組合的實驗盤示意圖

國內裝置在噴嘴的排布方式上，是將每個噴嘴獨立安裝，豎直或橫向一字排列。根據ISO9300：2005，當測量大流量時，可以組合使用多個不同位置相對獨立的噴嘴[6]。此外，為了檢測不同口徑的工作計量器具，裝置設計一般會設計多條檢測管線。因此，不同喉徑的組合使用及不同位置噴嘴的使用對流量不確定度的影響值得分析和研究。

2實驗內容

通常，裝置設置的音速噴嘴數量在滿足被檢流量計的最大最小流量和任意一點流量的條件下應盡可能少。這勢必會采取多個噴嘴組合的方式。被檢流量計的任一流量點可由不同的數量和位置的噴嘴進行組合，噴嘴間的影響應加以考慮。

為了對上述情況進行分析，我們選取了國內兩套音速噴嘴法氣體流量標準裝置(以下簡稱裝置1和裝置2)進行實驗，裝置結構模型見圖2。

圖2　裝置示意圖

根據噴嘴的喉徑尺寸和標定的流出系數，分別計算出兩套裝置每個噴嘴的體積流量(環境條件為標準狀態溫度20℃，大氣壓力101.325 Pa)，然后根據表1、表2的計算值組合出7組相近體積流量的不同噴嘴組合，見表3、表4。按照選定的流量點進行試驗，得到流量計儀表系數。裝置1根據表3噴嘴組合檢測一臺DN150、流量范圍80～1600 m3/h的渦輪流量計。裝置2根據表4噴嘴組合檢測一臺DN150、流量范圍80～1000 m3/h的渦輪流量計。

表1　裝置1噴嘴參數

表2　裝置2噴嘴參數

表3　裝置1噴嘴組合形式

表4　裝置2噴嘴組合形式

3數據與分析

分析7組噴嘴組合實驗得到的渦輪流量計儀表系數，可以計算出儀表系數的偏差在-0.05%～0.01%之間。

在實驗前選擇流量點過程中，只是根據理論計算推算出體積流量近似相等的7組組合形式。每組實驗得出的實際體積流量有0.03%～1.11%差值(見表3)。根據渦輪流量計的儀表系數特性曲線可知，其儀表系數不是一個常數，而是隨流量變化在一定范圍內變化。所以由于實驗的流量偏差引起的儀表系數變化應加以考慮。

通常的做法是利用表5左側的體積流量值和渦輪流量計儀表系數進行曲線擬合，得出儀表的特性曲線，同時計算出流量與儀表系數的關系方程式，再分別計算出表5右側體積流量值對應的擬合儀表系數。這樣可以計算出儀表系數隨流量值變化而產生的影響大小。

表5　裝置1測量結果

圖3曲線為流量值80 m3/h附近截取的一段擬合曲線，a點和b點是實際的實驗點。圖中c點和b點的垂直段為同一流量點下的實際偏差。剔除實驗流量不同的影響，最終可以得到不同噴嘴組合的實驗偏差，結果見表6。

圖3　截取的部分擬合曲線

組合1噴嘴編號組合2噴嘴編號實驗偏差/%流量差影響/%噴嘴間影響DSN/%61-2-3-4-5-0.05-0.010.0471-2-3-4-5-6-0.010.010.0281-2-3-4-5-6-7-0.01-0.020.01910-0.020.020.049-110-1-0.020.000.029-1110-11-0.020.000.029-8-1110-8-110.010.000.01

前三組實驗為單一噴嘴與多個噴嘴對同一流量點檢測的比較。多個噴嘴組合比單一噴嘴測得的儀表系數小，這種影響隨著流量的增大而減弱。第四組實驗為兩個同一流量的單一噴嘴安裝在不同位置的實驗，距離管道較遠處測得的儀表系數小，這一現象隨著流量的增加而減弱。后三組實驗結果也驗證了這一點。

在檢測過程中，很多流量點的測量都是通過兩個或多個噴嘴組合完成的，所以應考慮這一噴嘴間相互影響帶來的不確定度。同時，在實驗中應盡可能使用距離實驗直管線更近的噴嘴或噴嘴組。本次實驗以噴嘴組合1的儀表系數為參考值，即Kref，基于相同流量下噴嘴組合2測量得到的儀表系數K，可得到噴嘴組合影響參數DSN。

(1)

依據式(1)計算得到的噴嘴組合影響參數可求得噴嘴相互影響的不確定度，即

(2)

本裝置噴嘴相互影響的不確定度為0.02%。本裝置的標準不確定度為0.15%，噴嘴相互影響不確定度小于裝置不確定度的三分之一，裝置不確定度分析中可不考慮該項影響。

第一次實驗后，發現同一流量下測得的儀表系數偏差很大，前三組數據尤為明顯。根據公式(1)和(2)計算出裝置2噴嘴相互影響的不確定度為0.14%，大于本裝置的標準不確定度0.15%的三分之一。實驗后對裝置進行了問題查找。在對每個實驗用到的噴嘴進行清洗維護時，發現6號噴嘴被污垢部分堵塞。處理后再次對流量組合進行第二次實驗，同一流量下的實驗數據的偏差明顯好于第一次。剔除流量差的影響，該裝置小流量的噴嘴間相互影響明顯大于大流量下的影響。根據公式(1)、(2)，計算出本裝置噴嘴相互影響的不確定度為0.07%。噴嘴相互影響不確定度大于裝置不確定度的1/3，裝置不確定度分析中應考慮該項影響。表7、表8分別為裝置2和剔除流量影響后的測量結果。

表7　裝置2測量結果

表8　剔除流量影響后的測量結果

4結論

1)同一噴嘴裝置采用多個噴嘴組合的方法對被檢表進行檢定實驗，多個不同喉部尺寸的噴嘴之間存在相互影響。由于噴嘴加工、安裝和使用影響，不同音速噴嘴裝置間多個噴嘴組合的實驗結果是不同的。所以在對音速噴嘴裝置進行不確定度分析時應引入這一不確定度分量，這樣，標準裝置的評價工作以及流量計校準的結果才更加科學和準確。

2)噴嘴間的相互影響在流量小時更為明顯，所以在使用裝置檢測小流量時，選擇單個噴嘴進行實驗可以減小對實驗結果的影響。

3)通過不同噴嘴組合的噴嘴對流量計進行檢測，可以發現和找出噴嘴的問題。裝置在使用時，檢測一些常用流量點都使用固定噴嘴或噴嘴組合，所以長期使用某一噴嘴可能對其造成影響。在進行噴嘴裝置設計時，可以考慮同時安裝幾個相同口徑的噴嘴，既可以交替使用，也可以通過組合的方式對裝置進行核查。

參考文獻

[1] StevensRL.Development and Calibration of the Boeing 18 Kg/s(40lbm/sec)Airflow Calibration Standard[C] //International Symposium on Fluid Flow Measurement.American Gas Association，ISFFM，1986.

[2] Richard W.Caron，Investigation into the Accuracy of Multiple Critical Flow Venturis Mounted in Parallel within a Common Plenum[C] //4th International Symposium on Fluid Flow Measurement.ISFFM，1999.

[3] Yong Moon Choi.Interference effects between sonic nozzles[J] .Flow Measurement and Instrumentation，1997，8(2)：113-119.

[4] Yong Moon Choi.Interference effects of three sonic nozzles of different throat diameters in the same meter tube[J] .Flow Measurement and Instrumentation，1999，10：175-181.

[5] Aaron N Johnson.U.S.National Standards for High Pressure Natural Gas Flow Measurement[S] .NISTSP，2008.

[6] GB/T21188-2007/ISO9300：2005用臨界流文丘里噴嘴測量氣體流量[S] .北京：中國標準出版社，2005.

[7] 國家質量檢督檢驗檢疫總局.JJF1024-2010臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置校準規范[S] .北京：中國計量出版社，2010.

Interaction Between Sonic Nozzles in Device

LI Peng1，BAO Bing2，LI Chunhui3

(1.Beijing Institute of Metrology，Beijing 100029，China；2.Province Institute of Metrology of Henan，Zhengzhou 450008，China；

3.National Institute of Metrology，Beijing 100013，China)

Abstract：At present，the nozzle as gas flow transfer standard device is widely used in domestic and foreign testing organizations.In application，the selection of a single nozzle，a couple of nozzles or several nozzles depends on the required flow.Compared with the practical application of sonic nozzles abroad，domestic plants are different in such aspects as nozzle installation method，structure arrangement and the upstream design.In uncertainty evaluation，the interaction(numbers and positions)between nozzles should be considered.Two sets of sonic nozzle gas flow standard device from Beijing and Henan are chosen to measure two groups of similar flow points with turbine flow meter and calculate the deviation coefficients of different combinations of instruments.The uncertainty from this phenomenon is 0.02% and 0.07% respectively.Obviously，because of the nozzle processing，installation and use，two sets of sonic nozzle by means of experimental results are quite different.So the uncertainty analysis for the sonic nozzle device should consider this component.The job for evaluation of the standard device can be more scientific and accurate in this way.

Key words：sonic nozzle；fitting curve；nozzle combination；uncertainty；correlation

作者簡介：李鵬(1983-)，男，碩士，工程師，從事壓力氣體流量研究。

收稿日期：2015-06-02

中圖分類號：TB937

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5795(2015)05-0052-05

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.05.12