正壓法pVTt氣體流量標準裝置的建立*

曹培娟 李春輝 崔驪水 張 翰,3

(1.河北大學，保定 100075；2.中國計量科學研究院，北京 100029；3.中國計量學院，杭州 310018)

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正壓法pVTt氣體流量標準裝置的建立*

曹培娟1,2李春輝2崔驪水2張 翰2,3

(1.河北大學，保定 100075；2.中國計量科學研究院，北京 100029；3.中國計量學院，杭州 310018)

中國計量科學研究院對已有的負壓法pVTt氣體流量標準裝置進行正壓改造，完成后的新裝置可實現(xiàn)1MPa、86m3/h，2.5MPa、46m3/h下音速噴嘴流出系數(shù)的自動校準。基于標準容器內壓力、溫度測量不確定度的提升，pVTt裝置的擴展不確定度為0.05%(k=2)，音速噴嘴流出系數(shù)的不確定度為0.15%(k=2)。采用兩支音速噴嘴對裝置性能進行驗證，流出系數(shù)的重復性不超過0.03%，測量得到的流出系數(shù)與ISO 9300經(jīng)驗公式計算結果一致性良好。

pVTt法氣體流量標準裝置；測量不確定度；音速噴嘴；流出系數(shù)

0 引言

pVTt氣體流量標準裝置作為實驗室氣體流量計量原級標準已長達40多年[1]，用于校準音速噴嘴(簡稱噴嘴)的流出系數(shù)。按噴嘴前滯止壓力的不同，pVTt氣體標準裝置可以分為負壓法(又稱常壓法)和正壓法兩種。負壓法的滯止壓力為1個大氣壓；正壓法采用空氣壓縮機作為動力源，具備不同滯止壓力點的實驗能力，可實現(xiàn)較寬的流量和雷諾數(shù)范圍。

20世紀70年代，美國國家標準與技術研究所(NIST)建立了標準容器為26m3的高壓pVTt氣體流量標準裝置,其擴展不確定度為0.09%(k=2)[2]；2000年新建了標準容器為34L和677L兩個pVTt氣體流量標準裝置，可實現(xiàn)0.85MPa、4680m3/h測量能力[3]。

2002年日本國家計量院(NMIJ)在對原有的13.4m3的pVTt裝置[4]升級改造為標準容器為11.1m3的高壓pVTt裝置，可實現(xiàn)1MPa、200m3/h的測量能力，其擴展不確定度為0.17%(k=2)[5]。

1986年，中國計量科學研究院建成國內第一套負壓法pVTt氣體流量裝置，該裝置作為氣體流量的基準裝置，承擔了國內80%以上噴嘴流出系數(shù)的溯源工作。近年來，隨著天然氣用量的增加，社會對正壓下流量計溯源的需求不斷增加。2010年中國計量科學研究院開始進行pVTt法氣體流量標準裝置的技術升級改造，2014年底完成帶有溫度控制的標準容器100L和2m3的高壓pVTt氣體流量標準裝置，該裝置以Labview為軟件開發(fā)平臺，可在0.2～2.5MPa范圍內，實現(xiàn)1MPa、86m3/h最大流量，2.5MPa、46m3/h最大流量的測量能力。本文重點分析標準容器為2m3的pVTt氣體流量標準裝置的組成及不確定度，并以符合ISO 9300標準的兩支噴嘴對裝置的重復性及復現(xiàn)性進行驗證。

1 正壓pVTt裝置組成

正壓pVTt氣體流量標準裝置主要由氣源部分、標準容器部分、壓力及溫度測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、管路部分等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

1.1 氣源部分

氣源部分主要由兩臺空氣壓縮機、兩臺過濾器、儲氣系統(tǒng)及調壓系統(tǒng)組成。儲氣系統(tǒng)由2個10m3一級儲氣罐和2個7.5m3二級儲氣罐組成，其最大耐壓分別為11MPa和5MPa。調壓系統(tǒng)由4個一級減壓閥和6個二級減壓閥組成，分別位于一、二級儲氣罐出口，實現(xiàn)試驗所需的穩(wěn)定壓力。

1.2 標準容器

標準容器是pVTt氣體流量標準裝置的核心組成部分，直接影響音速噴嘴流出系數(shù)的校準，本裝置標準容器標稱值分別為100L、2m3。100L標準容器由2根直徑200mm，長1.6m的管道連通制成；2m3標準容器由4根直徑500mm，長2.5m的管道連通而成。兩種標準容器外壁均設有50mm的恒溫水夾層，循環(huán)的恒溫水通過夾層實現(xiàn)標準容器內溫度的穩(wěn)定。

1.3 壓力及溫度測量部分

裝置壓力測量主要涉及噴嘴滯止壓力、標準容器內壓力和附加體積壓力測量。系統(tǒng)設置4臺雙量程高精度絕壓表，用以測量100L與2m3音速噴嘴滯止壓力；6臺高精度絕壓表，2臺位于2m3標準容器內，2臺位于100L標準容器內，2臺用于測量100L和2m3檢定管路附加體積。

裝置共設置18支Pt 100鉑電阻溫度計，采用Keithley 2700多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對溫度進行測量。10支位于2m3標準容器內；4支位于100L系統(tǒng)的標準容器內；4支分別位于音速噴嘴入口處。

1.4 控制系統(tǒng)

裝置以Labview為軟件開發(fā)平臺，通過軟件控制硬件，基本實現(xiàn)自動化操作。軟件設計主要包括上位機軟件設計、下位機PLC控制及采集軟件的設計。上位機軟件設計以Labview為軟件開發(fā)平臺，實現(xiàn)人機交互，現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)采集，顯示和存儲，控制檢定流程等。下位機軟件開發(fā)采用西門子可編程控制器s7-200，實現(xiàn)對現(xiàn)場氣動閥和三通閥的開關控制。

1.5 檢定管路部分

2m3和100L pVTt氣體流量標準裝置檢定管路的口徑分別為DN 80和DN 25，各設有一個被檢臺位，采用氣動夾具，便于噴嘴的拆卸。檢定管路與標準容器通過三通閥連接，三通閥另一端通過消聲器與大氣相通。

2 測量不確定度分析

pVTt氣體流量標準裝置測量通過噴嘴的實際質量流量為：

(1)

式中:qm為通過噴嘴的實際質量流量；V為20℃下標準容器的基本容積；t為進氣時間；pi、pf分別為進氣前、后標準容器內空氣的絕對壓力；Ti、Tf分別為進氣前、后標準容器內空氣的熱力學溫度；zi、zf分別為進氣前、后標準容器內空氣的氣體壓縮系數(shù)；Δm為附加質量；Δt為開關時間；a為標準容器材料的線膨脹系數(shù)；θ為標準容器壁面溫度。

根據(jù)式(1)，原有2m3pVTt裝置的擴展不確定度為0.07%(k=2)[7]。改造完成后的高壓pVTt氣體流量標準裝置對壓力、溫度測量部分進行優(yōu)化改造，不確定度為0.05%(k=2)。

1)壓力測量的提升

選用高精度壓力測量儀表，通過對壓力表測得值的分段擬合修正，將壓力測量不確定度由原來滿量程的0.01%下降為讀數(shù)的0.0089%。

2)溫度測量的提升

對三種不同測量速度模式，不同延時時間下，對Keithley2700多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測試結果表明：采用SLOW模式、延時50ms情況下，其不確定度可由原來的50mK(k=2)降低到30mK(k=2)。此外，將原有各分項代數(shù)相加的保守處理方式調整為各分項平方和根。最終，將溫度測量不確定度由原來的89mK(k=2)降低到50mK(k=2)。

3 pVTt裝置測量能力驗證

3.1 音速噴嘴

按照ISO9300要求，加工喉部直徑為12.444mm和9.086mm的兩支音速噴嘴，相關參數(shù)如表1所示，流出系數(shù)的測量不確定度為0.15%(k=2)。

表1 所用噴嘴參數(shù)

3.2 經(jīng)驗公式

2005年，在雷諾數(shù)2.1×104

(2)

其不確定度UISO為0.3%(k=2)

3.3 驗證結果

滯止壓力2.5MPa、1MPa下，就兩支音速噴嘴的流出系數(shù)在新高壓pVTt氣體流量標準裝置上進行6次測量，實驗結果與ISO 9300經(jīng)驗公式(2)進行對比，采用En值[8, 9]分析結果間的一致性：

(3)其中，Cd,M為pVTt裝置測量得到的流出系數(shù)，UM為測量結果的不確定度。測量及比對結果如表2所示。

表2 兩支音速噴嘴測試結果

實驗結果表明：裝置可以實現(xiàn)1MPa、86m3/h；2.5MPa、46m3/h的測量能力，實驗的重復性不超過0.03%；En≤1.00表明實驗數(shù)據(jù)跟ISO 9300經(jīng)驗公式間有很好的一致性。

4 結論

中國計量科學研究院新建成一套帶有溫度控制標準容器為100L和2m3高壓pVTt氣體流量標準裝置，標準裝置測量不確定度為0.05%(k=2)。

2支符合ISO 9300的噴嘴對裝置性能的驗證性實驗結果表明：裝置可以實現(xiàn)1 MPa、86 m3/h；2.5 MPa、46 m3/h的測量能力，重復性不超過0.03%；流出系數(shù)與ISO 9300經(jīng)驗公式有很好的一致性。

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