刘鑫鑫戴铮
（上海飞机设计研究院，中国 上海 201210）
【摘要】环控试验室采用音速喷管为标准流量计的正压法空气流量校准装置，当音速喷管背压比小于临界压力比时，流量只与上游压力有关而不受下游压力的影响。因此上游供气压力波动关系到整个流量校准装置的稳定性，为减小上游供气压力的波动，对储气罐原有的并联供气管路进行改造，使其可以实现串联供气以满足流量校准装置用气需求。
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关键词 流量校准装置；音速喷管；储气罐；管路改造
0前言
流量校准装置是环控试验室必不可少的工艺设备，其主要作用有以下两个方面：①环控系统试验中，需要使用流量计进行气体流量测量。针对不同的试验流量计需要拆卸及重新安装，其测量精度可能会发生变化，需要通过流量校准装置来对流量计的测量误差进行判断，以保证流量计的准确性；②管路流量计加装时由于受限于直管段不足，流量计读数往往不准确，需要通过流量校准装置对加装流量计后的管路进行标定，得出真实流量与流量计读数的关系，作为试验时流量测量的依据。因此流量校准装置的稳定性关系到环控系统试验的流量测量准确性。
1流量校准装置
环控试验室采用音速喷管为标准流量计的正压法空气流量校准装置（图1），装置主要包括流量调节系统、喷嘴计量段总成及装置鉴定管线等。校准装置上游接试验室已有供气系统，下游经过消音器排出室外。
图1流量校准装置结构原理图
注：T——温度变送器，P——压力变送器，RH——湿度变送器.
本流量校准装置采用的音速喷管为文丘里喷嘴（图2），该喷嘴按照一定的几何结构设计，根据气体动力学原理，当下游与上游压力之比达到临界压力比的条件时，在喷嘴喉部形成临界流状态，气流达到最大速度（音速）。流过喷嘴的气体质量流量也达到最大值qm。此时qm只与喷嘴入口处的滞止压力和温度有关，而不受下游状态变化的影响。流经临界喷嘴的质量流量qm可按下式计算：
式中：qm——通过临界流喷嘴在实际条件下的质量流量；
A*——临界流喷嘴喉部的截面积；
C——临界流喷嘴的流出系数；
C*——实际气体的临界流函数；
P0——喷嘴前气体的绝对滞止压力；
T0——喷嘴前气体的绝对滞止温度；
RM——8.31441J/(mol)通用气体常数。
从上述公式可知，影响喷嘴流量稳定性的有A*、C、C*、T0、P0等几个参数，其中A*、C、C*为喷嘴固有参数不会影响流量稳定性，T0、P0为喷嘴前滞止温度和滞止压力，由于上游供气为空压机气源系统，上游温度为室外大气温度，因此喷嘴前滞止温度基本不变；上游压力由于空压机的特性会存在一定的波动，导致喷嘴前滞止压力也会存在一定波动，从而会影响流量校准装置流量稳定性。综上所述，要确保本套流量校准装置流量稳定性一定要保证上游供气压力稳定、波动小。
2储气罐系统管路改造
2.1储气罐系统
环控系统试验时为保证下游供气稳定，在气源系统下游配置了储气罐系统（图3），储气罐系统主要包括两个100立方米的罐体、连接上下游系统的管路、阀门、补偿管路等。由于环控系统试验时用气量较大，为满足用气需求，储气罐系统设计时采用管路将两个罐体并联进行供气，两个储气罐进气口和出气口处都设置手动阀门，试验用气量小时可以关闭一个罐体进出口的阀门，只使用一个罐体进行供气，以达到节能减排的目的。
2.2储气罐系统管路改造
正压法流量校准装置对于上游供气压力的稳定性要求很高，根据文献[3]中的描述，为提供稳定的流场，正压法音速喷嘴气体流量装置需设置稳压罐以稳定压力。目前储气罐系统是将两个储气罐并联进行供气，储气罐主要是起到储气的作用，并联储气罐出口汇流处由于两个罐体压力差异容易产生新的压力波动。此外，气源系统提供的压力与流量校准装置上游所需压力相差过大，压力调节难度大，且调压活门下游容易产生较大的压力波动，影响流量校准装置的流量稳定性。
图4储气罐系统管路改造示意图
根据流量校准装置的用气需求，在原有储气罐管路规划的基础之上进行了管路改造，改造结果如图4所示。当需要实现并联供气时关闭减压阀门，打开手动阀门1、2、3、4就可以将两个储气罐并联在一起进行供气；当需要实现串联供气时，打开手动阀门1、4及减压阀，关闭手动阀门2、3，上游气体首先通过阀门1流入储气罐1，再通过减压阀减压后流入储气罐2，最后通过手动阀门4流出至下游流量校准装置，这样储气罐1主要起到储气作用，而储气罐2则作为稳压罐主要起到稳压作用，这样就可以保证储气罐出口压力稳定，从而满足流量校准装置用气需求。
3结语
流量校准装置在环控系统试验中是不可或缺的，正压法音速喷嘴气体流量校准装置的稳定性主要取决于上游供气压力稳定与否，为保证上游供气压力稳定，对原有的储气罐系统管路进行了改造，具有很强的实践操作指导意义。
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参考文献
［１］郭爱华.标准表法气体流量标准装置[J].自动化仪表,2009,30(8):50-54.
［２］宋德星.临界流文丘里喷嘴测量不确定度分析[J].工业控制计算机,2013(12).
［３］王池,王自和,张宝珠,孙淮清.流量测量技术全书[M].北京:化学工业出版社,2012.
［４］王东伟,段慧明.pVTt法微小气体流量标准装置[J].现代计量测试,2000(3):37-43.
［５］王强.负压法音速喷嘴气体流量标准装置的使用[J].上海计量测试,2013(6).
［责任编辑：汤静］