[发明专利]一种气体流量的产生方法和实现装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于产生气体流量方法以及实现该方法的装置。

背景技术

在气体流量测量领域，音速喷嘴，因其构造和使用上的简单，以及较好的长期稳定性，被大量作为工作标准和传递标准，如用于在试验台中校准和测试气量计。当需要产生恒定气体流量的来流时，音速喷嘴同样适用。

喷嘴实现临界流的前提在于背压比A，即出口压力p2与入口压力p1的比值，如果该比值低于临界值A_crit，喷嘴达到临界流，在这种情况下，通过喷嘴流动的气体在其最小截面处的速度为音速。进一步减小背压比，如通过在喷嘴后方较强地抽吸气体，喷嘴喉部处的速度不再增加。因此只要不超过临界值A_crit，则通过音速喷嘴的气体的流量有这样的速率，气体的体积流量不受背压比A的影响。

由于音速喷嘴良好的稳定性，如能够消除压力振动、泵振动、或涉及到入口压力p1和出口压力p2的其他干扰效应的影响，其能够以简单的方式实现固定的体积流量。

音速喷嘴的最大缺点在于使用中由设备所引起的相对较大的压力损失。根据气体种类，临界压力比A_crit的理论值约为A_crit=0.5。这意味着，气体中大约50%压力能量的损失。因此，使用音速喷嘴设备的能耗相对较高。

为应对这些缺点，在现有技术中已知的是，通常在音速喷嘴的出口侧设置作为出口结构的扩散段。通过扩散段横穿放大的横截面而带来的气体加速度将使得通过喷嘴最小截面后的气体达到超声速，从而可使临界背压比A_crit升高到约0.7。由此音速喷嘴的压力能量损失下降约20%～30%（通过扩散段的压力恢复）。扩散段中出现的超音速流在喷嘴后方或扩散段后将再次转入亚音速。

然而，特别是对小喉径的音速喷嘴，带有扩散段的设计具有一定的负面影响，文献称之为称为“提前非临界流”或“提前非壅塞”，这种现象出现在喷嘴的非正常使用中，即不管背压比A是否小于临界值A_crit，体积流量均取决于背压比A。当背压比A在临界值A_crit之下的区域中，流量还是受背压比A的影响，在此情况下，音速喷嘴失去了其技术优势。

为避免提前非壅塞的出现，充分利用音速喷嘴的技术优点，必须尽量降低背压比A，使得音速喷嘴的临界流不被调整入口压力p1和出口压力p2时出现的振动破坏，进入提前非壅塞区域。这一区域，为满足计量安全的所需的压力损失可达60%甚至更多，由于使用扩散段获得较高临界背压比A_crit的优势消失，扩散段几乎或根本不值得使用。

发明内容

本发明以解决上述问题为目标，提出一种气体流量和装置的制造方法以及实现这种方法的装置，该装置可以显著减少、甚至消除提前非壅塞现象。

本发明通过用于产生气流的方法来解决提出的问题，其特征在于气体进入音速喷嘴前先通过整流器，该整流器：

-由气流可穿过的材料制成，

-安装在管道内，

-完全充满管道的横截面。

本发明的提出基于以下认识，由于扩散段表面加工的粗糙度使得扩散段的中的超音速流在其壁面上出现交互作用而带来压力波动，该波动以较小的尺寸出现，并可以传递到喷嘴上游，从而导致提前非壅塞现象的出现。因此，通过在喷嘴上游降低且减少气流中的波动，例如声波，可以显著地减少该现象。平稳的气流从喷嘴入口开始加速直到喉部达到音速，进而在扩散段中达到超音速，在此过程中几乎不引起额外的波动，但额外的波动将带来提前非壅塞现象。通过由气流可穿过的材料制成的整流器引导气流，可除去高频振动，也可以滤除次声波，即几赫兹频率的密度波动，从而显著减少音速喷嘴的提前非壅塞区域。因此，喷嘴的背压比A能够显著接近临界值A_crit，而不会出现提前非壅塞的危险。基于以上方法，音速喷嘴的背压比A可达0.6～0.7，甚至更高，由此必需的压力能量损失在气体中可减少至约30%。

优选地，气体通过整流器、温度测量点和压力测量点，最后到达音速喷嘴。经过整流器的气流能够有效减少额外波动的产生。特别地有利的是，国际标准ISO9300：2003对音速喷嘴和整流器之间区域的管道标准予以了诸多规定，包括管道的垂直度，即没有弯曲、曲线或岔口，及避免管道内部中异常的温度和压力测量点。已有研究显示，整流器下游侧的温度测量结构不影响喷嘴的运行。通过整流器的平静气体流量不会影响温度测量点，整流器下游测的温度测量点的布置对测得的温度值没有影响。