隨著(zhù)油氣田的開(kāi)發(fā), 高壓氣體的輸送和高壓大流量氣體流量的測量, 需要大量的流量?jì)x表和標準裝置, 臨界流噴嘴流量計在 解決高壓大流量氣體流量計量問(wèn)題中起到了重要作用, 并得到了廣泛應用. 20 世紀70 年代以來(lái), 英國國家工程實(shí)驗室、法國煤氣公司、英國煤氣公司工程研究所、美國國家標準局、Colorado 工程研究所、日本國家計量研究所以及我國的計量研究院等對臨界流噴嘴作了系統研究, 現已為ISO 采納為國際標準ISO9300 .
但是, 在臨界流噴嘴的實(shí)際應用中, 人們往往不能正確掌握使用方法而引起誤差. 使用流量公式時(shí)不能正確理解某些物理量的意義及使用單位, 尤其是臨界流函數中的參數應用, 從而造成數量級概念的錯誤.
臨界流噴嘴的結構及工作原理：
我們已經(jīng)知道, 當氣體流經(jīng)一個(gè)漸縮噴嘴時(shí), 如果保持噴嘴上游端壓力P0 和溫度T0 不變, 使其下游壓力P2 逐漸減小, 則通過(guò)噴嘴的氣體質(zhì)量流量qm 將逐漸增加. 當下游壓力P2 下降到某一壓力PC 時(shí), 通過(guò)噴嘴的質(zhì)量流量將達到*大值qmax , 此時(shí)噴嘴出口的流速已達到當地音速a. 如果繼續降低下游端壓力P 2, 通過(guò)噴嘴的質(zhì)量流量將不再增加, 流速也保持音速不變. 我們將噴嘴出口的流速達到音速的壓力P C 稱(chēng)為臨界壓力, PC/ P 0 稱(chēng)為臨界壓力比, 此時(shí)通過(guò)噴嘴的流量稱(chēng)為臨界流量.
確定臨界流噴嘴的流出系數一般有以下3 種方法:
應用基本的物理定理, 列出數學(xué)方程式, 用理論的方法求解而得到流出系數， 用測定內部流場(chǎng)或外部流場(chǎng)的方法計算出通過(guò)噴嘴的實(shí)際流量, 從而確定流出系數?？偺匦缘臏y量, 即在氣體流量標準裝置上進(jìn)行總特性試驗, 標定出流出系數. 蒂1種方法實(shí)際上比較困難, 它是用氣體動(dòng)力學(xué)原理來(lái)分析流體經(jīng)過(guò)噴嘴的特性以確定流出系數. 從理論上確定流出系數主要應估計兩個(gè)因素, 一是流體沿噴嘴管壁附面層的增長(cháng), 使流體實(shí)際的流通面積減小; 二是由于二維甚至多維流動(dòng)的影響在徑向方向上的速度梯度而引起的理論流量與實(shí)際流量之間的偏差. 第二種方法, 即內流場(chǎng)法和外流場(chǎng)法, 是為了解決高壓大流量臨界流噴嘴的標定問(wèn)題而提出的一種方法. 試驗表明, 內流場(chǎng)法由于檢測時(shí)易擾亂原流場(chǎng), 校驗精度較低. 用外流場(chǎng)法測量臨界流噴嘴流出系數, 其不確定度為0. 3% 左右. 和PVTt 法標定結果比較, *大偏差為0. 5%. 可見(jiàn), 外流場(chǎng)法不失為工程校測大流量臨界流噴嘴的有效方法. 第三種方法是目前用得*多的一種方法, 即在氣體流量標準裝置上測得通過(guò)臨界流噴嘴的實(shí)際流量, 從而計算出流出系數. NEL、NBS、Colorado 等單位用正壓法標定得到的一系列流出系數C, 其實(shí)驗結果基本上都在ISO 曲線(xiàn)附近± 0. 2% 的范圍之內[ 3] .
用氣體流量標準裝置來(lái)標定臨界流噴嘴的流出系數具有準確度高、標定方便等優(yōu)點(diǎn). 流出系數的準確度, 也即臨界流噴嘴的準確度將取決于流出系數標定裝置的精度, 目前一般可達± 0. 2% 左右. 但由于設備條件限制, 只能標定小流量臨界流噴嘴( 一般qm < 5 kg / s) .
臨界流噴嘴的特點(diǎn)和應用
臨界流噴嘴作為一級傳遞標準, 在標定各種氣體流量計的高壓大流量特性, 特別是各種應用系統的在線(xiàn)標定, 起到了其它氣流量標準所不能替代的作用. 作為一種氣體流量計, 也有許多差壓式流量計不可比擬的優(yōu)點(diǎn).
首先, 有非常清晰的工作原理, 可以用一個(gè)半經(jīng)驗公式表示, 在一級標準裝置上標定得到的流出系數可以推廣到不同操作條件而不喪失其準確度; 而且具有很好的復現性, 可以進(jìn)行在線(xiàn)測量, 便于自動(dòng)控制. 其次, 不受?chē)娮焐嫌味肆魉俜植嫉挠绊? 因此上游端不需要很?chē)栏竦闹惫芏? 而且其流量值僅取決于噴嘴上游的流體參數, 不受下游壓力變化的影響. 通過(guò)噴嘴的質(zhì)量流量與入口滯止壓力為線(xiàn)性關(guān)系, 不需要測量差壓, 也無(wú)須在流速有劇烈變化之處測量靜壓, 使得壓力的測量精度大為提高, 有利于提高測量精度. *后, 工作范圍極寬, 溫度、壓力、流量等參數的范圍幾乎不受限制. 尺寸緊湊, 作為流量標準, 在同樣的流量測量范圍, 無(wú)論體積, 價(jià)格等都比同等精度的其它流量標準裝置小得多和低廉得多. 但是, 應用公式( 1) 計算流量時(shí), 必須很精確地掌握臨界流噴嘴的流出系數C 和被測介質(zhì)的臨界流函數..的值. 尤其是測量天然氣、水蒸氣等實(shí)際氣體時(shí), 臨界流函數.. 必須正確計算, 這正是本文提出的目的。
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