小流量音速喷嘴装置及测量特性研究

摘要

音速喷嘴是世界各国广泛使用的传递标准，具有结构简单、无可动部件、精度高、重复性好等优良特性，使之在气体流量计量领域中占据了重要地位。在微小气体流量计量的迅速发展下，微小喉径音速喷嘴的研究更加广泛。为了将微小喉径音速喷嘴应用于实际检定工作中，本文在研究微小喉径音速喷嘴结构的基础上，建立了一套小流量音速喷嘴气体流量装置，并对装置的测量特性进行了研究。
　　采用计算流体动力学方法，通过Fluent仿真软件，对两种不同结构音速喷嘴内部的流场进行了数值仿真，分析比较入口段、喉部以及扩散段对流量特性的影响，选择流出系数与临界背压比都较优的圆环形喉部喷嘴结构作为装置中使用的喷嘴。
　　提出小流量音速喷嘴气体流量装置的总体设计方案，并在此基础上依次完成了硬件选型和机械机构设计、基于PLC的下位机检定系统设计以及基于LabVIEW软件平台的上位机监控及数据处理系统，实现了人机交互、自动检定的功能。
　　对装置进行了气密性测试和检定实验，完成了不确定度分析与评定。气密性实验研究表明，静态过程中，滞止腔内气密性良好；动态检定过程中，由于装置流量范围小，微小泄漏引起的不确定度不可忽略。引入泄漏率不确定度后，小流量音速喷嘴气体流量装置扩展不确定度为0.264％(k=2)，可以对体积流量在(0.008-1.007)m3/h范围内的质量流量计进行检定。