pVTt法臨界流噴嘴檢定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

【摘要】本文介紹了一種基于pVTt法對(duì)臨界流文丘里噴嘴進(jìn)行標(biāo)定的系統(tǒng)裝置，重點(diǎn)分析了該裝置的工作原理、系統(tǒng)組成、自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、軟件功能模塊，并通過(guò)量值比對(duì)方法對(duì)裝置準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證的過(guò)程。該裝置創(chuàng)新性地采用負(fù)壓技術(shù)來(lái)構(gòu)建臨界流系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的流量測(cè)量與標(biāo)定。

【關(guān)鍵詞】pVTt法；臨界流文丘里噴嘴；檢定系統(tǒng)

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.06.077

Implementation of pVTt Method Critical Flow Nozzle Calibration System

LIU Yizhuan

（Zhangzhou Metrology Institute， Zhangzhou 363000， China）

Abstract： This paper introduces a system device for calibrating critical flow venturi nozzles based on the pVTt method， focusing on the analysis of the working principle of the device， system composition， design of the automatic control system， software function modules， and the process of verifying the accuracy of the device through the method of value comparison. This device innovatively adopts negative pressure technology to construct a critical flow system， in order to achieve high-precision and high-stability flow measurement and calibration.

Keywords： pVTt method； critical flow venturi nozzle； verification system

1概述

隨著國(guó)內(nèi)對(duì)能源計(jì)量準(zhǔn)確性要求的提高，氣體流量計(jì)量的重要性日益凸顯，相關(guān)的流量計(jì)檢定系統(tǒng)也隨之增多，其中以臨界流噴嘴為標(biāo)準(zhǔn)器的檢定裝置在實(shí)際應(yīng)用中越來(lái)越廣泛。然而，作為高精度的標(biāo)準(zhǔn)器，臨界流噴嘴不僅需要嚴(yán)格的加工工藝，還需要精確標(biāo)定其流出系數(shù)。因此，市場(chǎng)對(duì)更高精度檢定系統(tǒng)的需求日益增長(zhǎng)。為了滿足社會(huì)的需要，我們研究開發(fā)了一種pVTt法臨界流噴嘴檢定系統(tǒng)。盡管該系統(tǒng)的原理相對(duì)簡(jiǎn)單，但涉及的音速噴嘴類型包括具有小喉徑的設(shè)計(jì)，因而對(duì)裝置的整體制造工藝要求較高。此外，氣體本身是可壓縮介質(zhì)，涉及的變量因素較多，計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，因而該裝置的算法必須經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

2基本原理

3pVTt法檢定裝置的結(jié)構(gòu)組成和工作過(guò)程

pVTt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置如圖1所示。

當(dāng)裝置工作時(shí)，真空泵開啟，且打開開關(guān)閥1，標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的空氣被抽空，并排入大氣中。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的絕對(duì)壓力低到某一數(shù)值時(shí)，關(guān)閉容器后面的開關(guān)閥1及真空泵，停留一段時(shí)間。待容器內(nèi)氣體狀態(tài)穩(wěn)定后，打開帶計(jì)時(shí)功能的專用閥門（開關(guān)閥2帶換向器），同時(shí)計(jì)時(shí)，此時(shí)空氣通過(guò)管段、音速噴嘴、專用閥進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)，同時(shí)記錄音速噴嘴前溫度、壓力。當(dāng)進(jìn)氣達(dá)預(yù)定時(shí)間時(shí)關(guān)閉專用閥，同時(shí)計(jì)時(shí)，此時(shí)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的氣體狀態(tài)是不穩(wěn)定的，需要足夠的穩(wěn)定時(shí)間。當(dāng)氣體狀態(tài)確定穩(wěn)定后，測(cè)量容器內(nèi)溫度、壓力、濕度，并通過(guò)軟件進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)算數(shù)據(jù)保存，此時(shí)完成一次檢定工作。重復(fù)上述檢定，即可得到多次檢定數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后得到流出系數(shù)的真值。

4控制系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

4.1硬件組成

為了滿足裝置的精度要求，系統(tǒng)的采集控制系統(tǒng)在關(guān)鍵的采集點(diǎn)采用了高精度數(shù)字壓力計(jì)和高精度的溫度計(jì)，直接通過(guò)總線形式把數(shù)字信號(hào)傳遞到計(jì)算機(jī)中，減少了中間數(shù)模轉(zhuǎn)換造成的誤差。同時(shí)為了盡量降低成本，系統(tǒng)中也使用了一些普通的溫度壓力變送器，通過(guò)PLC采集模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳遞到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。除此之外，系統(tǒng)還使用了高精度的計(jì)時(shí)器，以保證檢定時(shí)間的準(zhǔn)確性。

4.2軟件控制

軟件系統(tǒng)如圖3所示。計(jì)算機(jī)檢定系統(tǒng)是在Windows環(huán)境下使用組態(tài)軟件開發(fā)的。組態(tài)軟件本身不僅美觀、靈活、可靠，還集成了PLC的驅(qū)動(dòng)程序，方便程序的編寫。

軟件包括算法模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊。其中算法模塊是核心內(nèi)容，它完成了臨界流噴嘴流出系數(shù)的計(jì)算功能?？刂颇K是執(zhí)行模塊，它直接操作PLC進(jìn)行流程控制，同時(shí)對(duì)高精度的溫度計(jì)、壓力計(jì)通過(guò)總線方式進(jìn)行采集。

由于pVTt法對(duì)環(huán)境條件及容器內(nèi)氣體穩(wěn)定性的要求較為嚴(yán)格，實(shí)驗(yàn)過(guò)程可能會(huì)較為耗時(shí)。為了減輕操作人員的工作負(fù)擔(dān)，軟件采用了對(duì)用戶友好的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一鍵自動(dòng)檢定功能。用戶只需在實(shí)驗(yàn)前設(shè)定目標(biāo)背壓比和穩(wěn)定時(shí)間，后續(xù)流程將由系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行。

5系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和解決辦法

系統(tǒng)遇到的第一個(gè)挑戰(zhàn)是標(biāo)準(zhǔn)容器的體積測(cè)量和確保其密封性。鑒于精度要求極高，準(zhǔn)確測(cè)量容器體積變得至關(guān)重要。為此，我們采用了質(zhì)量法：首先，通過(guò)高精度的電子天平，對(duì)充滿氮?dú)獾母邏簹馄咳萜鬟M(jìn)行稱量；其次，將氮?dú)獬淙肴萜鲀?nèi)，當(dāng)達(dá)到一定壓力后停止充氣，再進(jìn)行稱量；最后，計(jì)算兩次稱量的重量差，根據(jù)溫度壓力計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)體積。在密封性方面，我們采用了一些特殊方法進(jìn)行處理，效果顯著。

另一個(gè)難點(diǎn)就是算法問(wèn)題。我們通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)有的算法進(jìn)行不斷修改和完善，最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完美復(fù)現(xiàn)了噴嘴的流量特性曲線。隨著壓力的變化，噴嘴的流速逐步達(dá)到定值，即音速噴嘴的臨界流特性。

6檢定結(jié)果的驗(yàn)證

裝置的目的除了復(fù)現(xiàn)噴嘴的特性，還要準(zhǔn)確測(cè)量流出系數(shù)。為此我們選擇了一個(gè)喉徑為1.73 mm的噴嘴和一個(gè)喉徑為1.35 mm的噴嘴作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行檢定結(jié)果的驗(yàn)證，測(cè)試數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表1和表2。

【參考文獻(xiàn)】

[1] p.V.T.t法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置：JJG 619—2005[S].

【作者簡(jiǎn)介】

劉藝專，男，1981年出生，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)量。

（編輯：李加鵬）