GB/T 21188-2007 用临界流文丘里喷嘴测量气体流量

犐犆犛１７．１２０．１０

犖１２

中华人民共和国国家标准

／—／：

犌犅犜２１１８８２００７犐犛犗９３００２００５

用临界流文丘里喷嘴测量气体流量

犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋狅犳犪狊犳犾狅狑犫犿犲犪狀狊狅犳犮狉犻狋犻犮犪犾犳犾狅狑犞犲狀狋狌狉犻狀狅狕狕犾犲狊

犵狔

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

（：，）

ＩＳＯ９３００２００５ＩＤＴ

２００７０９１２发布２００８０５０１实施

中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局

发布

中国国家标准化管理委员会

／—／：

犌犅犜２１１８８２００７犐犛犗９３００２００５

目次

前言Ⅲ

１范围１

２术语和定义１

３符号４

４基本方程５

４．１状态方程５

４．２理想条件下的流量５

４．３实际条件下的流量５

４．４临界质量通量５

５适用的场合５

６标准临界流文丘里喷嘴６

６．１一般要求６

６．２结构６

７安装要求８

７．１总则８

上游管线国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

７．２９

７．３上游大空间９

７．４下游要求９

７．５压力测量９

７．６排泄孔１０

７．７温度测量１０

７．８密度测量１０

７．９计算出的气体密度１１

８计算方法１１

８．１质量流量１１

８．２流出系数犆１１

ｄ′

８．３临界流函数犆和实际气体的临界流系数犆１２

Ｒ

８．４实测压力和温度与滞止条件的换算１２

８．５最大允许下游压力１２

９流量测量的不确定度１３

９．１总则１３

９．２不确定度的实际计算１３

附录（规范性附录）临界流文丘里喷嘴的流出系数

Ａ１５

附录（规范性附录）各种气体临界流函数的数值表

Ｂ犆１７

附录（规范性附录）天然气混合物临界质量通量的计算

Ｃ２４

附录（规范性附录）大气空气的质量流量修正因子

Ｄ２８

Ⅰ

／—／：

犌犅犜２１１８８２００７犐犛犗９３００２００５

附录（规范性附录）喷嘴喉部与上游管道直径之比０．２５的临界流喷嘴临界质量

Ｅ＞

β

通量的计算２９

附录ＮＡ（资料性附录）检验规则３２

附录ＮＢ（资料性附录）临界流喷嘴３４

参考文献３５

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

Ⅱ

／—／：

犌犅犜２１１８８２００７犐犛犗９３００２００５

前言

本标准等同采用：《用临界流文丘里喷嘴测量气体流量》。

ＩＳＯ９３００２００５

本标准等同翻译：（英文版）。

ＩＳＯ９３００２００５

本标准在制定时按／—《标准化工作导则第部分：标准的结构和编写规则》和

ＧＢＴ１．１２０００１

／—《标准化工作指南第部分：采用国际标准的规则》的有关规定做了如下编辑性

ＧＢＴ２００００．２２００１２

修改：

———删除了：国际标准的前言；

ＩＳＯ９３００２００５

———将“本国际标准”改成“本标准”；

———将：国际标准中作为小数点的逗号“，”改为小数点“”；

ＩＳＯ９３００２００５．

———第章中的“（见）”更正为“（见）”；

５９．５７．５

———原文Ｅ．２“修正因子”一节中第三小段“……（在０．１５０．５之间）”更正为“……（值在

β～β

０．２５０．５之间）”；

～

———本标准根据国内的具体情况，增加了附录“检验规则”和附录“临界流喷嘴”。

ＮＡＮＢ

本标准的附录、附录、附录、附录、附录为规范性附录，附录和附录为资料性

ＡＢＣＤＥＮＡＮＢ

附录。

本标准由中国机械工业联合会提出。

本标准由全国工业过程测量和控制标准化技术委员会第一分技术委员会归口。

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

本标准负责起草单位：中国计量科学研究院。

本标准参加起草单位：国家水大流量计量站、北京市计量测试所、浙江余姚市银环流量仪表有限公

司、天津市润泰自动化仪表有限公司、哈尔滨第一工具有限公司油田工具分公司。

本标准主要起草人：徐英华、王自和、王东伟。

本标准参加起草人：杨有涛、朱家顺、童复来、王耀庭。

本标准为首次发布。

Ⅲ

／—／：

犌犅犜２１１８８２００７犐犛犗９３００２００５

用临界流文丘里喷嘴测量气体流量

１范围

本标准规定了测量气体质量流量的临界流文丘里喷嘴（）的几何尺寸和使用方法（系统中的

ＣＦＶＮ

安装和工作条件），并给出了计算流量及其不确定度所需的资料。

本标准适用于气流在喉部加速到临界速度（等于局部音速）、且仅在喉部存在单相气体定常流的文

丘里喷嘴。在临界速度下，流过文丘里喷嘴的气体质量流量是实际上游条件下可能达到的最大流量。

临界流文丘里喷嘴只能在规定的喷嘴喉部对入口直径之比和喉部雷诺数的限值范围内使用。本标准所

涉及的临界流文丘里喷嘴已做过大量的直接校准试验，能保证给出的临界流文丘里喷嘴流出系数在某

个可预测的不确定度限值内。

本标准给出的资料适合于下述情况：临界流文丘里喷嘴的上游管线为圆形横截面的管线；或者临界

流文丘里喷嘴的上游，或成组安装的一套临界流文丘里喷嘴的上游可以看成是一个大空间。这种成组

配置为临界流文丘里喷嘴的并联安装提供了可能性，因此可以得到更大的流量。

对于高准确度测量，本标准论述了用于低雷诺数下的精确加工临界流文丘里喷嘴。

２术语和定义

下列术语和定义适用于本标准。

２．１压力测量国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

２．１．１

管壁取压口狑犪犾犾狉犲狊狊狌狉犲狋犪犻狀

狆狆狆犵

管壁上钻成的孔，其边缘与管道内表面平齐。

注：应使取压口中的压力为管道在这一点上的静压。

２．１．２

气体静压狊狋犪狋犻犮狉犲狊狊狌狉犲狅犳犪犪狊

狆犵

用连接在管壁取压口上的压力表所测量到的流动气体的实际压力。

注：本标准中所使用的均为绝对静压值。

２．１．３

滞止压力狊狋犪狀犪狋犻狅狀狉犲狊狊狌狉犲

犵狆

流动气体以等熵过程达到静止状态时所存在的气体压力。

注：本标准中所使用的均为绝对滞止压力值。

２．２温度测量

２．２．１

静态温度狊狋犪狋犻犮狋犲犿犲狉犪狋狌狉犲

狆

流动气体的实际温度。

注：本标准中所使用的均为绝对静态温度值。

２．２．２

滞止温度狊狋犪狀犪狋犻狅狀狋犲犿犲狉犪狋狌狉犲

犵狆

流动气体以等熵过程达到静止状态时所存在的气体温度。

注：本标准中所使用的均为绝对滞止温度值。

１

／—／：

犌犅犜２１１８８２００７犐犛犗９３００２００５

２．３文丘里喷嘴

２．３．１

文丘里喷嘴犞犲狀狋狌狉犻狀狅狕狕犾犲

安装在系统中用于测量流量的收缩／扩散节流件。

２．３．２

普通加工文丘里喷嘴狀狅狉犿犪犾犾犿犪犮犺犻狀犲犱犞犲狀狋狌狉犻狀狅狕狕犾犲

狔

由车床加工并经表面抛光达到所需光滑度的文丘里喷嘴。

２．３．３

精确加工文丘里喷嘴犪犮犮狌狉犪狋犲犾犿犪犮犺犻狀犲犱犞犲狀狋狌狉犻狀狅狕狕犾犲

狔

由超精密车床加工，无需抛光即可达到镜面粗糙度的文丘里喷嘴。

２．３．４

喉部狋犺狉狅犪狋

文丘里喷嘴中直径最小的部分。

２．３．５

临界流文丘里喷嘴犮狉犻狋犻犮犪犾犳犾狅狑犞犲狀狋狌狉犻狀狅狕狕犾犲

ＣＦＶＮ

喷嘴的几何形状和使用条件使其喉部流量达到临界值的文丘里喷嘴。

２．４流量

２．４．１

质量流量犿犪狊狊犳犾狅狑狉犪狋犲

狇

犿

单位时间内流过文丘里喷嘴的气体质量。国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

注：本标准中术语“流量”始终指的是“质量流量”。

２．４．２

喉部雷诺数狋犺狉狅犪狋犚犲狀狅犾犱狊狀狌犿犫犲狉

狔

犚犲

ｎｔ

根据气体流量和喷嘴入口滞止条件下的气体动力黏度计算出的无量纲参数。

注：取滞止条件下的喉部直径作为特性尺寸参数。喉部雷诺数以下式表示：

４

犿

犚犲ｎｔ＝狇

π犱０

μ

２．４．３

等熵指数犻狊犲狀狋狉狅犻犮犲狓狅狀犲狀狋

狆狆

κ

在基本可逆绝热（等熵）变换条件下，压力的相对变化与密度的相对变化之比：

注：等熵指数由下式给出：

１

ｄ２

＝ρ狆＝ρ犮

κ（）

狆ｄ犛狆

ρ

式中：

狆———气体的绝对静压力；

ρ———气体的密度；

———局部音速；

犮

犛———表示“等熵条件下”。

注：对于理想气体，等于比热容比，并且对于单原子气体等于／；对于双原子气体等于／；对于三原子气体

２κγ５３７５

等于／等。

９７

注：在实际气体中，分子之间的作用力以及分子所占据的体积对气体的特性具有不可忽略的影响；在理想气体中，

３

分子之间的作用力和分子所占据的体积可略去不计。

２

／—／：

犌犅犜２１１８８２００７犐犛犗９３００２００５

２．４．４

流出系数犱犻狊犮犺犪狉犲犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋

犵

犆ｄ′

实际流量对无黏性气体理想流量的无量纲比值。该理想流量是在相同的上游滞止条件下按一维等

熵流动而获得的。

注：该系数是对黏性和流场曲率影响的修正。对于本标准中所规定的各种喷嘴结构和安装条件，它仅是喉部雷诺

数的函数。

２．４．５

临界流犮狉犻狋犻犮犪犾犳犾狅狑

在给定上游条件下可能存在的特定文丘里喷嘴的最大流量。

注：当存在临界流时，喉部流速等于局部声速值（音速），小的压力扰动以此速度传播。

２．４．６

临界流函数犮狉犻狋犻犮犪犾犳犾狅狑犳狌狀犮狋犻狅狀

犆

表征文丘里喷嘴的入口与喉部之间等熵和一维流的热力学流动特性的无量纲函数。

注：它是气体特性和滞止条件的函数（见４．２）。

２．４．７

实际气体临界流系数狉犲犪犾犪狊犮狉犻狋犻犮犪犾犳犾狅狑犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋

犵

犆Ｒ

临界流函数的另一种形式，对气体混合物更为实用。

注：它与临界流函数的关系为：

犆犆犣

＝

Ｒ槡

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２．４．８

临界压力比犮狉犻狋犻犮犪犾狉犲狊狊狌狉犲狉犪狋犻狅

狆

狉

流经喷嘴的气体质量流量为最大值时，喷嘴喉部处静压与滞止压力之比。

注：此比值按８．５给出的公式计算。

２．４．９

背压比犫犪犮犽狉犲狊狊狌狉犲狉犪狋犻狅

狆

喷嘴出口静压与喷嘴上游滞止压力之比。

２．４．１０

马赫数犕犪犮犺狀狌犿犫犲狉

犕犪

在喷嘴上游静态条件下，流体平均轴向速度与上游取压口处的音速之比。

２．４．１１

压缩系数犮狅犿狉犲狊狊犻犫犻犾犻狋犳犪犮狋狅狉

狆狔

犣

用数字表示在给定的压力和温度条件下实际气体的性质与理想气体定律不一致的修正系数。

注：它由下式确定：

狆犕

犣＝

犚犜

ρ

其中，是通用气体常数，等于／（·）。

犚８．３１４５１ＪｍｏｌＫ

２．５

不确定度狌狀犮犲狉狋犪犻狀狋

狔

与测量结果相关，表征被测量合理赋值的离散度的参数。

３

／—／：

犌犅犜２１１８８２００７犐犛犗９３００２００５

３符号

符号说明量纲ＳＩ单位

犃文丘里喷嘴出口的横截面积２ｍ２

２Ｌ

犃文丘里喷嘴喉部的横截面积２ｍ２

ｎｔＬ

犆ｄ′流出系数无量纲

犆Ｒ实际气体一维流的临界流系数无量纲

犆实际气体一维流的临界流函数无量纲

犆犻理想气体一维等熵流的临界流函数无量纲

犇上游管道的直径Ｌｍ

犱文丘里喷嘴喉部的直径Ｌｍ

犕摩尔质量Ｍ·－１

ｋｍｏｌ

ｇ

犕犪１上游取压口处的马赫数无量纲

喷嘴入口处气体的绝对静压－１－２Ｐａ

１ＭＬＴ

狆

喷嘴出口处气体的绝对静压－１－２Ｐａ

２ＭＬＴ

狆

喷嘴入口处气体的绝对滞止压力－１－２Ｐａ

０ＭＬＴ

狆

喷嘴喉部处气体的绝对静压－１－２Ｐａ

ｎｔＭＬＴ

狆

理想气体一维等熵流的喷嘴喉部处气体的绝对静压－１－２Ｐａ

狆犻ＭＬＴ

（／）理想气体一维等熵流的喷嘴出口静压对喷嘴入口滞止压力之比无量纲

２０犻

狆狆

质量流量－１·－１

犿ＭＴｋｓ

狇ｇ

非粘性气体一维等熵流的质量流量－１·－１

犿犻ＭＴｋｓ

狇ｇ

犚通用气体常数国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页２－２－１·－１－１

ＭＬＴΘＪｍｏｌＫ

犚犲喷嘴喉部雷诺数无量纲

ｎｔ

狉喷嘴入口的曲率半径Ｌｍ

ｃ

狉临界压力比／无量纲

ｎｔ０

狆狆

犝′相对不确定度无量纲

犜１喷嘴入口处气体的绝对温度ΘＫ

犜０喷嘴入口处气体的绝对滞止温度ΘＫ

犜ｎｔ喷嘴喉部处气体的绝对静态温度ΘＫ

喉部音速；喷嘴喉部临界流速度－１·－１

νＬＴｍｓ

ｎｔ

犣压缩系数无量纲

直径比／无量纲

β犱犇

γ比热容比无量纲

δ绝对不确定度ａａ

κ等熵指数无量纲

滞止条件下气体的动力黏度－１－１·

０ＭＬＴＰａｓ

μ

喷嘴喉部处气体的动力黏度－１－１·

ｎｔＭＬＴＰａｓ

μ

喷嘴入口处滞止条件下的气体密度－３·－３

０ＭＬｋｍ

ρｇ

喷嘴喉部的气体密度－３·－３

ｎｔＭＬｋｍ

ρｇ

Ｍ＝质量；

Ｌ＝长度；

Ｔ＝时间；

Θ＝温度。

ａ与相应的量相同。

４

／—／：

犌犅犜２１１８８２００７犐犛犗９３００２００５

４基本方程

４．１状态方程

实际气体的特性可用下式表述：

狆犚

犜犣…………（）

＝１

犕

ρ（）

４．２理想条件下的流量

要使理想临界流量存在，必须具备个主要条件：

３

ａ）流动必须是一维的；

ｂ）流动必须是等熵的；

）气体必须是理想的（即和）。

ｃ犣＝１＝

κγ

在这些条件下，由下式得到临界流量：

犃犆狆

ｎｔ犻０…………（）

狇＝２

犿犻

犚

犜０

犕

（）

槡

或

犃犆…………（）

狇＝狆３

犿犻ｎｔ犻００

槡ρ

式中，

γ＋１

２γ－１

犆…………（）

犻＝γ４

（１）

槡γ＋

４．３实际条件下的流量

在实际条件下，临界流量的公式为：国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

犃犆犆狆

ｎｔｄ′０…………（）

狇＝５

犿

犚

犜０

犕

槡

或

犃犆犆…………（）

狇＝狆６

犿ｎｔｄ′犚槡００

ρ

因为

犆犆犣…………（）

Ｒ＝槡０７

式中，为上游滞止条件下的压缩系数值：

犣

０

狆犕

０…………（）

犣＝８

００犚犜０

ρ

应当注意，和并不等于，因为气体并不是理想的。由于流动不是一维的而且由于黏性效

犆犆犆

Ｒ犻

应而存在一个边界层，所以犆小于。

ｄ′１

４．４临界质量通量

狇

对于理想条件下的流量，临界质量通量等于犿犻。

犃ｎｔ

狇

对于实际条件下的流量，临界质量通量等于犿。

犃犆

ｎｔｄ′

５适用的场合

应对每种应用场合进行评估，以确定临界流文丘里喷嘴或某些其他装置是否最为适用。一个重要

的考虑因素是流过文丘里喷嘴的流量与下游压力无关（见７．５），但下游压力应在文丘里喷