由于音速文丘利噴嘴具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，被作為氣體流量傳遞標(biāo)準(zhǔn)，在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。下面主要以常壓法為例分析其工作原理和誤差來源。 1 音速文丘利噴嘴氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理 常壓法音速文丘利噴嘴氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置如圖1所示。 用8只不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)噴嘴并聯(lián)，有3種管徑法蘭連接被校儀表，通過電磁閥根據(jù)流量大小選定不同的噴嘴組合，可產(chǎn)生255種不同流量。 1－板式過濾器；2－被校表；3－電磁閥控制的氣動球閥；4－滯止容器；5－音速噴嘴； 6－電磁閥控制的氣動球閥；7－匯合容器；8－真空泵；9－循環(huán)水線；10－吸氣管及消音器； Pi－壓力變送器；Ti－體化溫度變送器 工作過程：打開壓縮機(jī)和真空泵，操作者輸入所需參數(shù)，計算機(jī)根據(jù)設(shè)定流量大小自動打開相應(yīng)的噴嘴開關(guān)，等待流量穩(wěn)定（p5/p1<0.8）以后，計算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡定時采集溫度和壓力等模擬信號和脈沖量，計算出流過被校表的質(zhì)量流量和工作狀態(tài)及標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積流量、被校表測量的流量值，二者比較可得出被校表的流量系數(shù)、線性誤差、重復(fù)性誤差和準(zhǔn)確度。其中，音速文丘噴嘴的結(jié)構(gòu)形狀如圖2所 當(dāng)p/p0小于或等于臨界壓比時（由于p不容易測量，通常用壓力比 判斷），氣體通過噴嘴最小截面處（喉部）的流速達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲?，而且始終保持此速度不變，即馬赫數(shù)等于1。所以其流量只與上游壓力有關(guān)而與下游壓力無關(guān)，流出系數(shù)只與雷諾數(shù)有關(guān)，因此就可以達(dá)到很高的測量準(zhǔn)確度。此時，用音速文丘利噴嘴測量的氣體質(zhì)量流量為 (1) 式中： 為音速噴嘴在實(shí)際條件下的質(zhì)量流量；A為音速噴嘴喉部的內(nèi)截面積； 為音速噴嘴入口的氣體滯止壓力；T0為音速噴嘴入口的氣體滯止溫度；C為實(shí)際氣體的臨界流函數(shù)，由滯止條件（p0,T0）查表得到；C為流出系數(shù)，是對“一維、等熵流動"這種假設(shè)的修正；M為實(shí)際氣體的摩爾質(zhì)量。 2 誤差分析 根據(jù)式（1），整個裝置的不確定度為 (2) 2.1 流出系數(shù)C 流出系數(shù)，是對“一維、等熵流動"這種假設(shè)的修正。實(shí)驗表明，C只是雷諾數(shù)Red的函數(shù)，ISO9300給出的流出系數(shù)經(jīng)驗公式[2]為 （3） （4） 式中： 為音速噴嘴喉部雷諾數(shù)；d為音速噴嘴喉部內(nèi)徑； 為氣體滯止條件下的動力粘度；a,b,n的數(shù)值按不同種類的文丘利噴嘴和雷諾數(shù)范圍而不同。 式（3）是根據(jù)一些實(shí)驗資料擬合而成的，按此公式求出的流出系統(tǒng)的相對誤差為±0.5％。如用PVTt法氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)標(biāo)，其相對誤差可≤±0.2％。 在本裝置中，我們采用PVTt法氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)標(biāo)，EC=±0.2%。 2.2 臨界流函數(shù) 實(shí)際氣體的臨界流函數(shù)不但與滯止壓力、溫度有關(guān)，而且與氣體組份有關(guān)。由于在常溫、常壓附近，臨界流函數(shù)變化很小，通常用一常數(shù)表示。 當(dāng)用音速文丘利噴嘴標(biāo)定各種流量儀表時，為了節(jié)省設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用，目前國內(nèi)一般均使用濕空氣作為試驗介質(zhì)，而臨界流函數(shù)C仍按干空氣計算，當(dāng)空氣濕度較大時，會帶來較大的誤差。在本裝置中，EC≤±0.2%。 2.3 摩爾質(zhì)量M 由于使用濕空氣作為試驗介質(zhì)，但計算時卻通常按干空氣的摩爾質(zhì)量計算。濕空氣是 干空氣和水蒸汽的混合物，通常大氣中水蒸汽的摩爾成分很小，濕空氣和干空氣的摩爾質(zhì)量相差很小。當(dāng)空氣濕度較大時，會帶來較大的誤差，這時，在計算過程中通常需要對空氣濕度的影響進(jìn)行修正。 在本裝置中，由于在使用過程中，空氣濕度較小，因而沒對此作修正，由此帶來的誤差很小，在這里忽略不計。 2.4 噴嘴喉部內(nèi)截面積A 根據(jù)臨界流流量計檢定規(guī)程[4]，Ed≤±0.1%，所以，EA=±2 ≤±0.2％。 2.5 滯止壓力P0 我們假定了氣體在文丘里噴嘴入口處是處于滯止?fàn)顟B(tài)，即氣體流速以等熵過程降為零時的狀態(tài)。此時，入口處流速趨于零，相當(dāng)于入口截面積相比于喉部截面積趨于無窮大，即直徑比 趨于零，此時的溫度、壓力分別稱為滯止溫度、滯止壓力。當(dāng) 不夠小時，就需要由測得的流動狀態(tài)參數(shù)算出滯止?fàn)顟B(tài)參數(shù)。 在 中，給出了實(shí)測壓力與滯止壓力的關(guān)系[2]： （5） 式中： 為噴嘴滯止壓力； 為噴嘴入口實(shí)測壓力；k為等熵指數(shù)，對于理想氣體，k等于比熱比； 為文丘里噴嘴入口處的馬赫數(shù)。 根據(jù)文獻(xiàn)[1]，當(dāng) ≤0.5時，式(5)可近似表示為 （6） 對于空氣， 。 在本裝置中， ，我們用實(shí)測壓力（圖1中滯止容器的壓力 ）直接代替了噴嘴滯止壓力，由此所帶來的誤差 可用式（6）計算： （7） | 會員1.png)