pVTt法临界流喷嘴检定系统的实现

【摘要】本文介绍了一种基于pVTt法对临界流文丘里喷嘴进行标定的系统装置，重点分析了该装置的工作原理、系统组成、自动控制系统的设计、软件功能模块，并通过量值比对方法对装置准确性进行验证的过程。该装置创新性地采用负压技术来构建临界流系统，以实现高精度、高稳定性的流量测量与标定。

【关键词】pVTt法；临界流文丘里喷嘴；检定系统

【DOI编码】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

随着国内对能源计量准确性要求的提高，气体流量计量的重要性日益凸显，相关的流量计检定系统也随之增多，其中以临界流喷嘴为标准器的检定装置在实际应用中越来越广泛。然而，作为高精度的标准器，临界流喷嘴不仅需要严格的加工工艺，还需要精确标定其流出系数。因此，市场对更高精度检定系统的需求日益增长。为了满足社会的需要，我们研究开发了一种pVTt法临界流喷嘴检定系统。尽管该系统的原理相对简单，但涉及的音速喷嘴类型包括具有小喉径的设计，因而对装置的整体制造工艺要求较高。此外，气体本身是可压缩介质，涉及的变量因素较多，计算过程较为复杂，因而该装置的算法必须经过大量的实验数据来进行验证。

2基本原理

3pVTt法检定装置的结构组成和工作过程

pVTt法气体流量标准装置如图1所示。

当装置工作时，真空泵开启，且打开开关阀1，标准容器内的空气被抽空，并排入大气中。当标准容器内的绝对压力低到某一数值时，关闭容器后面的开关阀1及真空泵，停留一段时间。待容器内气体状态稳定后，打开带计时功能的专用阀门（开关阀2带换向器），同时计时，此时空气通过管段、音速喷嘴、专用阀进入标准容器内，同时记录音速喷嘴前温度、压力。当进气达预定时间时关闭专用阀，同时计时，此时进入标准容器内的气体状态是不稳定的，需要足够的稳定时间。当气体状态确定稳定后，测量容器内温度、压力、湿度，并通过软件进行运算，并将运算数据保存，此时完成一次检定工作。重复上述检定，即可得到多次检定数据并进行数据处理，最后得到流出系数的真值。

4控制系统构成

控制系统构成如图2所示。

4.1硬件组成

为了满足装置的精度要求，系统的采集控制系统在关键的采集点采用了高精度数字压力计和高精度的温度计，直接通过总线形式把数字信号传递到计算机中，减少了中间数模转换造成的误差。同时为了尽量降低成本，系统中也使用了一些普通的温度压力变送器，通过PLC采集模块进行模数转换后传递到计算机进行数据处理。除此之外，系统还使用了高精度的计时器，以保证检定时间的准确性。

4.2软件控制

软件系统如图3所示。计算机检定系统是在Windows环境下使用组态软件开发的。组态软件本身不仅美观、灵活、可靠，还集成了PLC的驱动程序，方便程序的编写。

软件包括算法模块、控制模块、数据库管理模块、数据导出模块。其中算法模块是核心内容，它完成了临界流喷嘴流出系数的计算功能。控制模块是执行模块，它直接操作PLC进行流程控制，同时对高精度的温度计、压力计通过总线方式进行采集。

由于pVTt法对环境条件及容器内气体稳定性的要求较为严格，实验过程可能会较为耗时。为了减轻操作人员的工作负担，软件采用了对用户友好的设计，实现了一键自动检定功能。用户只需在实验前设定目标背压比和稳定时间，后续流程将由系统自动执行。

5系统设计的难点和解决办法

系统遇到的第一个挑战是标准容器的体积测量和确保其密封性。鉴于精度要求极高，准确测量容器体积变得至关重要。为此，我们采用了质量法：首先，通过高精度的电子天平，对充满氮气的高压气瓶容器进行称量；其次，将氮气充入容器内，当达到一定压力后停止充气，再进行称量；最后，计算两次称量的重量差，根据温度压力计算出标准体积。在密封性方面，我们采用了一些特殊方法进行处理，效果显著。

另一个难点就是算法问题。我们通过大量实验，对现有的算法进行不断修改和完善，最终通过实验数据完美复现了喷嘴的流量特性曲线。随着压力的变化，喷嘴的流速逐步达到定值，即音速喷嘴的临界流特性。

6检定结果的验证

装置的目的除了复现喷嘴的特性，还要准确测量流出系数。为此我们选择了一个喉径为1.73 mm的喷嘴和一个喉径为1.35 mm的喷嘴作为实验对象，对其进行检定结果的验证，测试数据分别见表1和表2。

【参考文献】

[1] p.V.T.t法气体流量标准装置：JJG 619—2005[S].

【作者简介】

刘艺专，男，1981年出生，高级工程师，硕士，研究方向为计量。

（编辑：李加鹏）