基于音速喷嘴检测流量的连续配气系统
张嘉祥段永红何南翎
（陕西省计量科学研究院，西安，710048）
摘要介绍了基于音速喷嘴检测流量的连续配气系统（以下简称气体分割器）的工作原理和特点，研究气体分割器的校准装置和校准方法，通过对装置进行不确定度分析，探讨用该方法解决气体分割器校准的可行性。 关键词音速喷嘴；配气系统；气体分隔器
一、引言
基于音速喷嘴检测控制流量的连续配气系统（按行业的习惯以下简称气体分割器），是用于对机动车发动机排放气体测试系统（以下简称排放气体分析仪）进行校准的装置，后者被广泛用于汽车、摩托车等机动车发动机排放气体中HC、CO、CO2、O2和NO摩尔分数的测量。排放气体测试仪的校准主要是在标称量程的范围内，对不同浓度点进行线性化校准。按JJG688-2007《汽车排放气体分析仪》检定规程
中规定的方法，线性化校准必须具备不同浓度的多瓶标准样气，分别对各浓度点进行校准。此方法不仅造成标准气的大量浪费，而且操作过程复杂、效率低。
近年来国内汽车、摩托车质检行业普遍采用气体分隔器对排放气体分析仪进行线性化校准，校准中只需选择接近满量程浓度的标准样气，以及规定的零气（如：氮气、空气等）。将这两种气体同时接入气体分隔器的输入端，按照规定的程序操作气体分割器，即可在输出端连续得到满量程浓度及以下，包括零点在内最多16个浓度点的标准气体，一次性完成排放气体分析仪某一满量程浓度的线性化校准。
目前国内使用的气体分割器主要是产自德国和日本，准确度相对较高，最大允许误差一般在（0.2～0.5）%之间。气体分割器的配气特点是高压（0.2～0.3）MPa、小流量（0～10）NL/min，而目前国内在小流量的标准方面不能同时满足以上三个条件。鉴于以上原因，目前国内使用的气体分割器绝大部分没有进行检定和校准。
二、气体分割器的工作原理和特点气体混合器
如图一所示，气体分割器工作时分别将稀释气体和被稀释气体接入气体分割器F1、F2端口，两种气体经由PS开关控制进入配气和检测系统。PR压力调节器可以使流经气体的压力稳定在设定的范围内，一般要求音速喷嘴入口压力P1与音速喷嘴出口压力p2之比，满足p1/p2≥2。由于流经音速喷嘴N1、N2 、N3、N4的气体处于同一个压力、温度条件下，所以喷嘴的流量比仅与喷嘴喉部面积有关，通过特殊的设计加工，可以使4个喷嘴的流量比为8/4/2/1。按要求组合操作阀门组MV1～MV4和MV5～MV8，可以在气体分割器出口处得到最多16个浓度点的标准气体。
F1
PS3 FM MG
图一：气体分割器工作原理示意图
图中：F1、F2—稀释气体、被稀释气体输入端过滤器；PS1、PS2—电控开关阀；PR1～PR3—精密压力调节器；MV1～MV4—稀释气体电控阀；MV5～MV8—被稀释气体电控阀；N1～N4—音速喷嘴；FM—流量计；MG—混合气体输出端连接器。
气体分割器有高精度、连续配气两个特点。气体分割器能够做到高精度是因为采用了音速喷嘴作为流量测量元件，其准确度等级一般为（0.2～0.5）级。气体分割器中音速喷嘴质量流量计算公式如（1）式
m g a s
q K（1）
式中：
m
q—流经音速喷嘴气体的质量流量；
gas
K—与气体性质和喷嘴几何尺寸有关的标定系数；
1
p—音速喷嘴入口处的绝对压力；
T—气体绝对温度。
（1）式表明对于特定的音速喷嘴，其质量流量与入口处的压力和温度有关。但由于气体分割器在配气过程中并不计算显示流量，而是直接显示浓度，所以不需
要精确测量压力和温度，只需做到稀释气体和被稀释气体两端压力、温度一致即可，在实际使用的气体分割器设备中，设计选用了精密压力调节器和一套用于平衡温度的混合器，可以满足以上要求。所以气体分割器的配气精度可以很高，一般可达0.5%以上。
三、气体分割器的校准方法
1、校准方法和校准装置构成
气体分割器的校准主要是对其浓度示值的校准，浓度的计算公式如公式（2）， 100%112
V C =V +V （2） （2）式中： C — 混合气体的百分比浓度；
V 1 — 在配气时间段内被稀释气体的体积；
V 2 — 在配气时间段内稀释气体的体积。
将计算得到的混合气体的百分比浓度与气体分割器显示的百分比浓度进行比较，得出示值误差，即完成了对气体分割器的校准。
图二是气体分割器校准装置构成示意图
tS
图二 气体分割器校准方法原理示意图
图注：脚标1表示被稀释气体；脚标2表示稀释气体。
图中：VM —高压定容容器；PM —压力检测仪器；TM —温度检测仪器；PR —精密压力调节器；MV —电磁阀；tS —计时控制器；FM —气体流量计。
2、 校准操作程序和计算方法
1）校准准备工作：按图2所示的方法连接气路，不得有泄漏。选择稀释气体和被稀释气体，分别充入定容容器VM 2和VM 1（定容容积为V 02和V 01），使容器内的压力升至0.6MPa 左右。等待3分钟，待定容容器内气体温度稳定后，分别读取容器VM 1内气体的压力p 11和温度T 11，以及容器VM 2内气体的压力p 12和温度T 12。
2）校准操作程序：操作计时控制器tS 使电磁阀MV 1和MV 2同时开启，此时容器MV 1和MV 2的气体按设置的浓度点，按比例均匀进入气体分割器。等待3分钟，待定容容器内气体温度稳定后，分别读取容器VM 1内气体的压力p 21和温度T 21，以及容器VM 2内气体的压力p 22和温度T 22。
3）计算方法
由于被稀释气体（简称气路1）和稀释气体（简称气路2）多是单组分气体，又由于被测气体的压力不高，且在常温状态下，可以近似认为是理想气体，根据理想气体状态方程，不考虑压缩系数，则在设定时间内排出的被稀释气体和稀释气体的体积可用公式（3）和式（4）表示
N 1121N101N 1121
T P P V V -P T T =⨯⨯（） （3） N 1222N202N 1222T P P V V -P T T =⨯
⨯（） （4） （3）、（4）式中：
V N1、V N2—标准状态下被稀释气体，稀释气体的体积；
V 01、V 02—各气路定容容器的名义容积值；
p 11、T 11和p 21、T 21—气路1初始压力、温度和终止压力、温度；
p 21、T 21和p 11、T 11—气路2初始压力、温度和终止压力、温度；
p N 、T N — 标准状态的压力、温度。
混合气体的百分比浓度如公式（5）所示
100%N1N1N2
V C V +V =⨯ （5） 四、校准装置的不确定度分析
（一）实际测量条件
选择1000mg/m 3的NO 2作为被稀释气体，空气作为稀释气体，以浓度点为40%为例进行分析。将被稀释气体和稀释气体分别充入定容容器VM 1和VM 2，压力均达到0.4MPa ，此浓度点检测完成后，根据检测时间的长短，若VM 1内压力降至0.3MPa，则VM 2内的压力约降至0.25MPa 。检测过程中通过控制检测和等待时间，保证温度变化不大，接近环境温度（20±5）℃。
（二）数学模型：
1、数学模型
由公式（5），气体分割器的浓度可由式（6）得出 N1N1N2
V C V V =
+ （6） 2、方差和灵敏系数 对（6）式求偏导数，并用相对不确定度表示，有 N2N1N2N2N1N2N1N1N2N2
V dV V dV dC C V V V V V V =⨯-⨯++ 根据方差传递的原则：
22222VN1N1VN2N2u C C u V C u V ⨯⨯（）=（）+（）
（7） 式中： u （C ）—配气浓度合成标准不确定度；
u （V N1）—1气路气体体积测量合成标准不确定度；
u ( V N2 ) —2气路气体体积测量合成标准不确定度；
C VN1 = - C VN2 =N2N1N2
V V V + = 0.6。 在实际校准过程中，由于两条气路所选择的压力、温度测量装置以及定容容积罐的准确度等级和测量范围一致，故不确定度的分析只需分析一条气路。又由于定容容积罐内初始压力、温度和终止压力、温度是用同一套仪器测量的，所以，在对单条气路进行不确定度分析时，其数学模型可以用公式（8）的形式表示
N N 0N T p V V P T
⨯=⨯⨯ （8） 式中：V N —标准状态下单气路气体体积；
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