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摘 要： 针对音速喷嘴法气体流量标准装置在校准过程中遇到的问题，结合原理分析和试验验证，对装置气密性试验、临界背压比试验及装置不确定度确定等校准项目和校准方法进行了研究，提出了针对正压法音速喷嘴法气体标准装置气密性测试方法、背压比试验方法，对不确定度评定提出改进意见。
关键词： 音速喷嘴标准装置；临界背压比；仪表系数；气密性
中图分类号：TH71 文献标识码：A
1 引言
以音速喷嘴作为标准表的气体流量标准装置，以其结构简单、无可动部件、准确度高、维修方便等特点在气体流量计的检定和校准工作中得到广泛应用。根据气源滞止压力的不同，音速喷嘴气体流量标准装置又分为负压装置和正压装置两种。负压装置采用真空泵作为动力源，喷嘴滞止压力为大气压力，只能通过喷嘴数目的增加或喷嘴口径的增加来增大流量范围。正压装置采用空气压缩机为动力源，可以对喷嘴制止压力进行调节，工况同流量计的工作条件接近，且容易实现较宽的流量范围。目前针对音速喷嘴法气体流量标准装置的校准工作依据JJF 1240-2010《临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置的校准规范》进行，在实际校准中遇到一些疑问，下文进行分析讨论。
2 问题的提出
根据JJF 1240-2010，校准项目主要有外观检查和资料审查、密封性试验、临界背压比试验、装置稳定性四项，并给出了装置不确定度计算方法和湿度修正方法。正压装置因为增加了除湿设备，故其不需要进行湿度修正。
2.1氣密性试验
在JJF 1240-2010中针对负压装置给出了密封性试验方法，要求开启真空泵使装置达到最小压力后，关闭喷嘴前后的相关阀门，保持5 min。首先，在实际校准工作中，密封性是评价气体流量标准装置的首要指标，密封性相关问题在被检流量计的夹装工位非常关键，JJF 1240-2010中“关闭喷嘴前后相关阀门”进行密封性试验的规定无法保证对被检流量计夹装工位密封性的檢测。第二，以上试验方法不适用于正压装置。
2.2 临界背压比试验
JJF 1240-2010中要求在标准装置上进行临界背压比试验，要求将试验用流量计（或组）安装在标准装置上，选定待测喷嘴，开启装置中的真空泵，当背压比达到某一值，关闭真空泵，记录此时试验用流量计（或组）显示的流量值和背压比。背压比每增加一个固定值，记录实验用表显示的流量值及背压比。当试验用流量计显示的流量示值刚刚开始下降时的背压比即为该喷嘴的背压比。此方法是基于负压装置的滞止压力即为大气压力恒定、滞止温度恒定，喷嘴保持在临界状态时流量不变的基础上，通过喷嘴后压力的改变，背压比随之改变而实现的。而正压装置是滞止压力可调，喷嘴后压力基本恒定，与负压装置压力控制系统完全不同，所以此测试背压比的方法不适用于正压装置。
2.3 不确定度评定
JJF 1240-2010中就多喷嘴组合的情况，提出其合成标准不确定度选取各喷嘴中最大的相对标准不确定度与计时器相对标准不确定度合成，未考虑多喷嘴组合使用时喷嘴之间互相影响所带来的不确定度。
3 问题的分析
3.1 密封性测试方法探讨
密封性试验须将被检流量计夹装工位包含在内，在规程中应明确指出。夹装工位产生泄漏，必然会对实验结果产生影响，尤其是小流量点的检定中可能产生较大的影响。正压装置动力源为空气压缩机，滞止容器前压力由储气调节单元控制，正压装置的气密性试验可通过动力源给气，达到一定压力后，可参考负压装置的试验方法调整为：启动控制设备，关闭排气出口阀门或用可承压部件封闭装置排气出口，被检流量计夹装工位用相应口径流量计或接管密封连接，运行装置。开启稳压调压系统阀门，使滞止压力达到装置最大值，关闭滞止容器前的相关阀门，保持5min，装置滞止容器内绝对压力与绝对温度比值的变化率应不超过0.1%。在工作压力下，装置各部件的连接处应无泄漏。
由于夹装工位的泄漏存在随机性，且泄漏量具有不确定性，可能导致标准装置的重复性较差，所以校准过程中还应关注标准装置是否具备夹装工位的检漏设施及其他保障措施。
3.2 正压装置临界背压比确定方法
正压装置可以通过调节喷嘴前滞止压力从而控制喷嘴流量，但由于喷嘴的安装及其他原因导致的提前非壅塞等因素的影响，喷嘴安装到标准装置上运行过程中实际临界背压比可能远低于喷嘴设计背压比。无法保证喷嘴的临界背压比，就无法保证流量数据科学准确，所以，正压装置喷嘴的临界背压比的试验非常的必要。
根据流量计在小流量范围内仪表系数近似恒定的原理，选择稳定性较好的试验流量计，针对指定喷嘴进行试验，逐渐按一固定值逐渐减小滞止压力，压力稳定后记录喷嘴标准装置流量和实验得到的流量计的仪表系数。当仪表系数剧烈波动处的背压比即为该喷嘴的背压比。
3.3 喷嘴组合不确定度评定方法探讨
喷嘴在组合使用时，喷嘴之间存在相互影响，影响因素的大小又因喷嘴的加工、安装和使用影响等的不同而不同。根据李鹏的实验研究可知，喷嘴之间的影响引入的不确定度会超过标准装置不确定度三分之一[8]。所以在临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置不确定度评定时，需要针对喷嘴组合使用时喷嘴间相互影响所带来的不确定度进行试验研究。
试验可以选定重复性较好的试验流量计，测试喷嘴的各种组合形式下流量计仪表系数，消除仪表系数随流量变化的影响后，可得出各种喷嘴组合形式所带来的不确定度。
4 结论
音速喷嘴标准装置在进行气密性试验时应将被检流量计夹装工位包括在内。对正压装置的气密性试验可采用上述方法。
正压法气体流量标准装置校准过程中，喷嘴背压比可通过上述方法进行试验。
气体标准装置不确定度评定过程中应当先对喷嘴组合使用情况进行试验，将喷嘴间的相互影响带来的不确定度纳入到标准装置不确定度评定中。■
参考文献
[1]JJF 1240-2010临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准规范[S].中国计量出版社，2010.
[2]李春辉.《临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准规范》校准规范介绍[J].中国计量，2010.
[3]JJG 643-2003标准表法流量标准装置检定规程[S].中国计量出版社，2003.
[4]胡鹤鸣、崔骊水、王池，等.低雷诺数音速喷嘴临界背压比的实验研究[J].仪器仪表学报，2012，33（4）：737-741.
[5]王科、曹九莹. 浅谈音速喷嘴式燃气表检定装置的检测[J].仪器仪表标准化与计量，2013（2）：44-46.
[6]李艳.上游安装条件及几何参数对音速喷嘴临界背压比影响研究[D].河北大学，2014.
[7]ISO 9300 Measurement of Gas Flow by means of Critical Flow Venturi Nozzles[S]，1990.
[8]李鹏、暴冰、李春辉.浅析音速喷嘴装置中喷嘴间的相互影响[J].计量、测试与校准，2015，35（5）：52-56.
作者简介：高江（1989），男，陕西榆林，本科，主要从事气体流量试验研究。
关键词： 音速喷嘴标准装置；临界背压比；仪表系数；气密性
中图分类号：TH71 文献标识码：A
1 引言
以音速喷嘴作为标准表的气体流量标准装置，以其结构简单、无可动部件、准确度高、维修方便等特点在气体流量计的检定和校准工作中得到广泛应用。根据气源滞止压力的不同，音速喷嘴气体流量标准装置又分为负压装置和正压装置两种。负压装置采用真空泵作为动力源，喷嘴滞止压力为大气压力，只能通过喷嘴数目的增加或喷嘴口径的增加来增大流量范围。正压装置采用空气压缩机为动力源，可以对喷嘴制止压力进行调节，工况同流量计的工作条件接近，且容易实现较宽的流量范围。目前针对音速喷嘴法气体流量标准装置的校准工作依据JJF 1240-2010《临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置的校准规范》进行，在实际校准中遇到一些疑问，下文进行分析讨论。
2 问题的提出
根据JJF 1240-2010，校准项目主要有外观检查和资料审查、密封性试验、临界背压比试验、装置稳定性四项，并给出了装置不确定度计算方法和湿度修正方法。正压装置因为增加了除湿设备，故其不需要进行湿度修正。
2.1氣密性试验
在JJF 1240-2010中针对负压装置给出了密封性试验方法，要求开启真空泵使装置达到最小压力后，关闭喷嘴前后的相关阀门，保持5 min。首先，在实际校准工作中，密封性是评价气体流量标准装置的首要指标，密封性相关问题在被检流量计的夹装工位非常关键，JJF 1240-2010中“关闭喷嘴前后相关阀门”进行密封性试验的规定无法保证对被检流量计夹装工位密封性的檢测。第二，以上试验方法不适用于正压装置。
2.2 临界背压比试验
JJF 1240-2010中要求在标准装置上进行临界背压比试验，要求将试验用流量计（或组）安装在标准装置上，选定待测喷嘴，开启装置中的真空泵，当背压比达到某一值，关闭真空泵，记录此时试验用流量计（或组）显示的流量值和背压比。背压比每增加一个固定值，记录实验用表显示的流量值及背压比。当试验用流量计显示的流量示值刚刚开始下降时的背压比即为该喷嘴的背压比。此方法是基于负压装置的滞止压力即为大气压力恒定、滞止温度恒定，喷嘴保持在临界状态时流量不变的基础上，通过喷嘴后压力的改变，背压比随之改变而实现的。而正压装置是滞止压力可调，喷嘴后压力基本恒定，与负压装置压力控制系统完全不同，所以此测试背压比的方法不适用于正压装置。
2.3 不确定度评定
JJF 1240-2010中就多喷嘴组合的情况，提出其合成标准不确定度选取各喷嘴中最大的相对标准不确定度与计时器相对标准不确定度合成，未考虑多喷嘴组合使用时喷嘴之间互相影响所带来的不确定度。
3 问题的分析
3.1 密封性测试方法探讨
密封性试验须将被检流量计夹装工位包含在内，在规程中应明确指出。夹装工位产生泄漏，必然会对实验结果产生影响，尤其是小流量点的检定中可能产生较大的影响。正压装置动力源为空气压缩机，滞止容器前压力由储气调节单元控制，正压装置的气密性试验可通过动力源给气，达到一定压力后，可参考负压装置的试验方法调整为：启动控制设备，关闭排气出口阀门或用可承压部件封闭装置排气出口，被检流量计夹装工位用相应口径流量计或接管密封连接，运行装置。开启稳压调压系统阀门，使滞止压力达到装置最大值，关闭滞止容器前的相关阀门，保持5min，装置滞止容器内绝对压力与绝对温度比值的变化率应不超过0.1%。在工作压力下，装置各部件的连接处应无泄漏。
由于夹装工位的泄漏存在随机性，且泄漏量具有不确定性，可能导致标准装置的重复性较差，所以校准过程中还应关注标准装置是否具备夹装工位的检漏设施及其他保障措施。
3.2 正压装置临界背压比确定方法
正压装置可以通过调节喷嘴前滞止压力从而控制喷嘴流量，但由于喷嘴的安装及其他原因导致的提前非壅塞等因素的影响，喷嘴安装到标准装置上运行过程中实际临界背压比可能远低于喷嘴设计背压比。无法保证喷嘴的临界背压比，就无法保证流量数据科学准确，所以，正压装置喷嘴的临界背压比的试验非常的必要。
根据流量计在小流量范围内仪表系数近似恒定的原理，选择稳定性较好的试验流量计，针对指定喷嘴进行试验，逐渐按一固定值逐渐减小滞止压力，压力稳定后记录喷嘴标准装置流量和实验得到的流量计的仪表系数。当仪表系数剧烈波动处的背压比即为该喷嘴的背压比。
3.3 喷嘴组合不确定度评定方法探讨
喷嘴在组合使用时，喷嘴之间存在相互影响，影响因素的大小又因喷嘴的加工、安装和使用影响等的不同而不同。根据李鹏的实验研究可知，喷嘴之间的影响引入的不确定度会超过标准装置不确定度三分之一[8]。所以在临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置不确定度评定时，需要针对喷嘴组合使用时喷嘴间相互影响所带来的不确定度进行试验研究。
试验可以选定重复性较好的试验流量计，测试喷嘴的各种组合形式下流量计仪表系数，消除仪表系数随流量变化的影响后，可得出各种喷嘴组合形式所带来的不确定度。
4 结论
音速喷嘴标准装置在进行气密性试验时应将被检流量计夹装工位包括在内。对正压装置的气密性试验可采用上述方法。
正压法气体流量标准装置校准过程中，喷嘴背压比可通过上述方法进行试验。
气体标准装置不确定度评定过程中应当先对喷嘴组合使用情况进行试验，将喷嘴间的相互影响带来的不确定度纳入到标准装置不确定度评定中。■
参考文献
[1]JJF 1240-2010临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准规范[S].中国计量出版社，2010.
[2]李春辉.《临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准规范》校准规范介绍[J].中国计量，2010.
[3]JJG 643-2003标准表法流量标准装置检定规程[S].中国计量出版社，2003.
[4]胡鹤鸣、崔骊水、王池，等.低雷诺数音速喷嘴临界背压比的实验研究[J].仪器仪表学报，2012，33（4）：737-741.
[5]王科、曹九莹. 浅谈音速喷嘴式燃气表检定装置的检测[J].仪器仪表标准化与计量，2013（2）：44-46.
[6]李艳.上游安装条件及几何参数对音速喷嘴临界背压比影响研究[D].河北大学，2014.
[7]ISO 9300 Measurement of Gas Flow by means of Critical Flow Venturi Nozzles[S]，1990.
[8]李鹏、暴冰、李春辉.浅析音速喷嘴装置中喷嘴间的相互影响[J].计量、测试与校准，2015，35（5）：52-56.
作者简介：高江（1989），男，陕西榆林，本科，主要从事气体流量试验研究。