音速喷嘴式燃气表检定装置的检测

曹久莹

（江苏省计量科学研究院，南京 210007）

0 引言

膜式燃气表的检定装置目前主要有钟罩式气体流量标准装置和标准表法气体流量标准装置。钟罩式气体流量标准装置作为传统的气体容积式燃气表检定装置，具有结构简单、性能稳定可靠、量值传递准确等特点，适合实验室中进行高精度的检测使用。标准表法气体流量标准装置近年来发展迅速，其中又以标准表为音速喷嘴的装置使用最为广泛。音速喷嘴式燃气表检定装置是以一组音速喷嘴作为标准表，通过计算机控制不同流量值的音速喷嘴之间的组合以达到所需流量，并对标准表和被检表前后的压力、温度进行修正，从而实现流量控制和数据处理，具有操作简便、控制精度高等特点，与钟罩式气体流量标准装置相比，检测效率大大提高，近年来广泛应用于计量检测部门和燃气公司的燃气表检定工作中。

作为一种新型的燃气表检定装置，依据国家现有规程或规范对其进行检测也有很大的特殊性。本文将结合音速喷嘴式燃气表检定装置（以下简称装置）的原理和结构特点，针对实际工作中遇到的检测方面的问题进行讨论，并进行不确定度分析。

1 装置的结构和原理

装置主要由标准表（音速喷嘴组）、试验管路、动力系统、温压修正系统、计算机控制系统等组成（见图1）。目前常见的多为负压法装置，采用真空泵作为气源，通过真空泵的抽气实现整个试验管路中空气的流动。在音速喷嘴和被检燃气表前后安装有温度、压力传感器，用于测量当前状态下的介质温度和压力。通过计算机控制音速喷嘴的不同组合，达到所需的流量值，结合温度、压力修正，进行数据处理并得出误差值。

装置中作为标准表的音速喷嘴一般采用音速文丘里喷嘴，与经典的文丘里管类似，在最小断面（即喉部）后面连接有出口扩张段。根据音速喷嘴的临界流特性，当气体通过喷嘴时，在喷嘴上、下游气流压力比达到某一特定数值的条件下，喷嘴喉部形成临界状态，气流达到最大速度（当地音速），流过喷嘴的气体质量流量也达到最大。此时气体流量只与喷嘴人口处的滞止压力和滞止温度有关，而不受其下游状态变化的影响。

图1 音速喷嘴式燃气表检定装置结构示思图

2 检测中问题探讨

目前，装置的检测项目和方法通常是按照JJG 643—2003《标准表法流量标准装置检定规程》的规定进行，项目主要有一般检查、密封性试验、标准流量计检定、计时器检定、流量稳定性检定、不确定度评定等。，针对使用临界流文丘里喷嘴这种特殊的标准表的标准装置，国家颁布了JJF 1240—2010《临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准规范》，以加强对这类装置的管理。按照该规范要求，增加了临界背压比试验。

大多数装置在出厂之前，厂家会将音速喷嘴、压力传感器、温度传感器和晶振等送到当地的计量部门进行检定/校准，取得检定/校准证书。在现场检测装置时所要做的项目则为一般检查、密封性和流量稳定性，有时还需要做计时器时间间隔，若依据JJF 1240—2010 则还要进行临界背压比试验。因为和普通的标准表法流量标准装置相比还是有所不同，在检测过程中也遇到一些疑问，下面逐一进行讨论。

2.1 密封性试验

JJG 643—2003 中对装置密封性要求“在工作压力下装置各部件的连接处不应有泄漏现象”，具体检测时，如何判定“有泄漏”，泄漏量多少以内算合格呢？ 一般的做法为将真空泵打开，达到正常工作状态后关闭装置进出气口，待稳定后观察装置内压力数值变化情况，压力没有变化即为“无泄漏”。JJF 1240—2010 中对密封性试验的方法做了更为详细具体的规定：开启真空泵达到最低压力后关闭阀门保持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%。个人认为这样量化的规定更便于实际工作的开展，因此，在实际检测工作中我们也基本上按此要求进行密封性的试验。不过前提是被检装置的计算机控制界面上能实时显示滞止容器的压力温度值。

2.2 计时器

装置上的计时器需进行晶振8h 稳定度和时间间隔的检定，出于对装置整体性能的考虑，个人认为在装置上进行计时器的检定更为合适。对于没有附带计时器检定证书的装置，按照JJG 643—2003的规定方法进行相应的检测。这里需要装置生产厂家预先留好计时器晶振时间输出的接口，以便连接标准计时器。检定计时器时间间隔时，将标准计时器与装置上的时间输出相连接，启动装置运行，同步启停标准和被检计时器，以一次检定的最短测量时间为时间间隔，读取标准和被检的示值完成一次检定。

2.3 流量稳定性

流量稳定性是反映流量装置计量性能的一项重要指标。JJG 643—2003 中规定对每条管线的最大流量和最小流量进行稳定性检定，JJF 1240—2010 中则要求在最大和最小流量中间再选取不少于两个流量点进行装置的稳定性试验。考虑到音速喷嘴式燃气表检定装置实际为多台被检表串联在1 条管线上，且流量范围按照家用膜式燃气表的流量范围设定，普遍在0～6m3/h，因此个人认为进行最大和最小流量点的稳定性试验即可。对于检定工业用燃气表的音速喷嘴装置，其流量范围大大增加，可以考虑在最大和最小流量点之间适当选取几个点增加稳定性试验，以保正装置稳定性的要求。

2.4 临界背压比试验

JJF 1240—2010 中要求在装置上进行喷嘴的临界背压比试验，目的是为了验证装置的音速喷嘴在使用过程中是否保持在临界流的状态。临界背压比是指当滞止参数一定，通过喷嘴的质量流量达到最大时，喷嘴出口处静态压力与其上游滞止压力之比的最大值。试验时，选定待测喷嘴，开启装置的真空泵，当背压比达到某一值，关闭真空泵，记录此时试验用流量计显示的流量值和背压比。背压比每增加一个固定值，记录试验用流量计显示的流量值和背压比。当试验用流量计显示的流量示值刚刚开始下降′ 背压比即为该喷嘴的临界背压比。这里需要选择合适的试验用流量计，，装置需预留连接该流量计的管路。考虑到不同规格的装置所使用的试验用流量计会不同，建议同一地区的装置生产厂家充分考虑试验的要求，对装置进行改造，以满足规范要求。

2.5 串联台位差试验

目前使用较多的装置大多为6 工位或12 工位串联台位，可以同时进行6 台或12 台甚至更多台燃气表的检定。多台被检表串联在一起，通过每台被检表的气体状态是否一致，流量是否相同，假如流量不一致对每台被检表示值误差是否有影响，有多大的影响等等，都是关系到燃气表检定准确与否的问题，需要加以考虑。建议进行装置的串联台位差试验，挑选一块稳定性好的燃气表，依次在每个台位上进行检定，按照检定规程的要求选择流量点和检定次数，比较同一流量点下每个台位测得的示值误差，计算最大差值。另一方面，可以在某个固定流量点下，在一次检定时间内，用标准流量计、温度计和压力计测量每个台位处的流量值和温度、压力值，计算温压修正后的示值误差，并与计算机显示的示值误差结果进行比较。个人认为对于串联检定多台被检表的装置可以进行这一试验，以便更好地评判装置整体性能。

3 不确定度分析

3.1 数学模型

喷嘴的体积流量：

式中：qv为喷嘴的体积流量；Cd为喷嘴的流出系数；A*为喷嘴的喉部面积；C*为气体临界流函数；Z为压缩系数；M为气体摩尔质量；R为通用气体常数；p0、T0分别为喷嘴上游滞止压力、滞止温度；p、T分别为被检表处压力、温度。

由于气体摩尔质量M、通用气体常数R和压缩系数Z的相对不确定度非常小，通常可忽略其影响；而检定音速喷嘴和用音速喷嘴装置检定燃气表均使用空气为介质，且气体状态相同，故喷嘴的喉部面积A*和气体临界流函数C*带来的不确定度可视为零。

3.2 流出系数的相对标准不确定度

目前大多数装置使用的是0.2 级的音速喷嘴：

3.3 上游滞止压力的相对标准不确定度

装置上使用的绝压变送器准确度为0.2 级，按矩形分布考虑：

3.4 上游滞止温度的相对标准不确定度

装置上使用的温度传感器最大允许误差为±0.2℃，设气体温度为20℃，按矩形分布考虑：

3.5 被检燃气表处压力的相对标准不确定度

3.6 被检燃气表处温度的相对标准不确定度

3.7 体积流量的相对标准不确定度

3.8 计时器的相对标准不确定度

大多数装置能够显示的时间至少为0.001s，标准计时器的允许误差一般为1 ×10-8，一次检定的最短测量时间设为60s，参考平时检定工作中得到的计时器检定数据，以某一次检定结果为例：

3.9 装置合成标准不确定度

3.10 装置扩展标准不确定度

4 结束语

音速喷嘴式燃气表检定装置利用音速喷嘴的优点，可以多台燃气表同时检定，且整个检定和数据处理过程实现自动化，大大提高工作效率。随着燃气表行业的发展，音速喷嘴式燃气表检定装置将会越来越广泛地应用于计量检测部门和燃气表生产厂家，对其计量性能的确认，也是计量检定人员需要在工作中认真研究的问题。