摘要:利用(yong)正壓法音(yin)速噴嘴氣(qì)體流量标(biao)準裝置,通(tong)📞過調節試(shì)驗管道中(zhōng)介質的工(gōng)作壓力(0.23~0.5MPa)來(lái)改變介質(zhì)密度,分别(bié)在空氣密(mì)度爲2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3、5.987kg/m3四種(zhong)情況下對(dui)50mm口徑氣體(ti)渦街流量(liàng)計
的流量(liàng)特性(儀表(biǎo)系數、線性(xìng)度、不确定(ding)度.流量下(xià)限)進行了(le)大量試驗(yàn)研究。試驗(yan)結果表明(ming),不同密度(du)下
渦街流(liu)量計
儀表(biǎo)系數的最(zuì)大相對誤(wù)差0.405%,驗證了(le)渦街流量(liàng)計儀表🔴系(xì)數幾乎不(bú)受流體密(mi)度變化的(de)影響;并發(fa)現渦街流(liú)量計的流(liu)量下限随(sui)着介質密(mì)度的增大(da)而向🈲下延(yán)伸,對此現(xiàn)象進行💁了(le)分析。
1引言(yán)
渦街流量(liang)計是一種(zhǒng)利用流體(ti)振動原理(lǐ)來進行流(liu)量測量的(de)振動式流(liú)量計,廣泛(fàn)應用于測(cè)量和工業(yè)❄️過程控制(zhì)領域中。但(dàn)曆史較短(duan),理論基礎(chu)和實踐經(jing)驗不足,還(hái)有許👣多工(gōng)作需要探(tàn)索、充實1.21渦(wo)街流量計(jì)最基本的(de)流量方程(chéng)🈲經常引用(yong)卡曼渦街(jie)理論，進而(er)得出渦街(jiē)流量計旋(xuan)渦分離的(de)頻率僅與(yu).流體工作(zuo)狀态下的(de)體💚積流量(liang)成正比,而(ér)對被測流(liú)體溫度、壓(ya)力、密度、粘(zhān)🐆度和組分(fen)變化不敏(mǐn)感的♊特點(diǎn)。實際應用(yòng)👨❤️👨中,現場工(gōng)作條件的(de)變化到底(di)會對渦街(jiē)流量計測(ce)量帶來多(duō)大的附加(jiā)誤⭐差尚不(bu)明确。SophieGoujon-Durand研究(jiu)了流體粘(zhan)🏃🏻♂️度對渦街(jie)流量計線(xian)性度的影(ying)響,繪出不(bu)同粘度對(duì)😘渦街線性(xing)度的校正(zheng)曲線[4]”。通📞過(guò)氣體不同(tong)工作壓力(lì)下的試驗(yàn)驗證了渦(wō)街流量計(ji)不随介質(zhì)密度變化(huà)的結論，但(dan)是并未給(gei)出具體試(shi)驗數據。本(ben)文采用試(shi)💯驗方法,利(li)用正壓法(fa)音速噴嘴(zui)氣體流量(liang)标準裝置(zhì),在不同介(jie)質密度下(xià)對渦街流(liú)💋量計的流(liu)量特性進(jin)💃🏻行對比研(yán)究👄，得到儀(yi)表系數和(hé)流量下限(xiàn)随密度變(bian)🈚化曲線和(hé)趨勢,并對(duì)試驗結果(guǒ)進行分析(xi)解釋。
2渦街(jiē)流量計工(gong)作原理
如(ru)圖1所示，管(guǎn)道中垂直(zhí)插人一梯(ti)形柱狀旋(xuan)渦.發生體(tǐ),随着流🎯體(tǐ)流動,當管(guǎn)道雷諾數(shu)達到一定(ding)值時,在旋(xuán)渦發生體(ti)兩🔞側會交(jiāo)替地産生(shēng)有規則的(de)旋渦,這🌈種(zhǒng)旋渦稱爲(wei)卡曼渦街(jiē)。
設(she)旋渦發生(shēng)頻率爲，f,旋(xuán)渦發生體(ti)迎流面寬(kuān)度爲d,表體(tǐ)通👨❤️👨徑爲D,根(gēn)據卡曼渦(wo)街原理，可(kě)知:
式中:U1爲(wei)旋渦發生(sheng)體兩側平(píng)均流速;U爲(wèi)被測介質(zhì)來流的平(píng)均流速;Sr爲(wèi)斯特勞哈(ha)爾數,對一(yi)定形狀的(de)旋渦發生(sheng)體在一⁉️定(dìng)雷諾數範(fan)圍内爲常(cháng)數;m爲旋渦(wō)發生體兩(liang)側弓形面(mian)積與管道(dao)橫截面面(mian)積之比。
流(liu)體在産生(shēng)旋渦的同(tong)時還受到(dào)一個垂直(zhi)方向上力(li)⭐的作用☂️,根(gen)據湯姆生(sheng)定律和庫(kù)塔一-儒可(kě)夫斯基升(shēng)力定理,設(shè)作用在旋(xuan)渦發生體(tǐ)每單位長(zhang)度上的升(sheng)力爲FL有:
式(shi)中:cL爲升力(lì)系數;ρ爲流(liú)體密度。
由(you)于交替地(dì)作用在發(fā)生體.上升(sheng)力的頻率(lü)就是旋🔞渦(wō)的⚽脫落頻(pin)率,通過壓(ya)電探頭對(dui)FL變化頻率(lü)的檢測，即(jí)可得到?再(zài)由式(1)可得(dé)體🌂積流量(liàng)qv:
式中:K爲渦(wō)街流量計(jì)的儀表系(xì)數。
從式(3)、(4)可(kě)以看出,對(dui)于确定的(de)D和d,流體的(de)體積流量(liàng)qv與🌍旋渦頻(pín)率?成正比(bi),而?隻與流(liu)速U和旋渦(wo)發生體的(de)幾何參數(shù)有關,且與(yu)被測流體(ti)的物性和(he)組分無關(guan)，因此可以(yǐ)🙇♀️得出渦街(jiē)流量計不(bu)受🈚流體溫(wen)度、壓力、密(mì)度、粘度、組(zǔ)分🈚因素的(de)影響。本文(wén)研究在複(fú)雜的現場(chang)環境下,工(gong)作壓力的(de)增加、介質(zhi)密度的變(bian)化對渦街(jie)流量計測(cè)量産生的(de)影響。
3試驗(yàn)裝置
3.1音速(su)噴嘴工作(zuò)原理
文丘(qiu)利噴嘴是(shi)個孔徑逐(zhu)漸減小的(de)流道,孔徑(jìng)最小的部(bu)分稱爲噴(pen)嘴的喉部(bu),喉部的後(hou)面有孔徑(jìng)逐漸擴大(dà)的流道。當(dāng)氣體通過(guo)噴嘴時,喉(hou)部的氣體(ti)流速将随(sui)着節流壓(ya)力比減小(xiǎo)而增大。當(dang)節流壓力(lì)比小到一(yī)定值時,喉(hou)部流速達(da)到最大流(liú)速一音速(su)。此時若再(zài)減小節流(liu)壓力比,流(liu)速(流量)将(jiang)保持音速(su)不變🌈,不再(zai)受下遊壓(ya)力的影響(xiǎng)，而隻與噴(pen)嘴人口處(chù)的滞止壓(yā)力和溫度(du)有關,此時(shi)的噴嘴稱(chēng)爲音速噴(pēn)嘴,流🔱量方(fāng)程式爲:
式(shì)中:qm爲流過(guo)噴嘴的質(zhì)量流量;A.爲(wèi)音速噴嘴(zuǐ)喉部面積(ji)😍;C爲流出系(xi)數;C.爲臨界(jie)流函數;P。爲(wèi)音速噴嘴(zuǐ)人口處滞(zhi)止絕對壓(ya)力⚽;T。爲音速(su)噴嘴人口(kou)處滞止絕(jue)對溫度;R爲(wei)通用氣體(ti)常數;M爲氣(qi)體千摩爾(ěr)質量🚩。
從式(shì)(5)可以看出(chu),一.種喉徑(jing)的噴嘴隻(zhī)有一一個(gè)臨界流量(liàng)🧑🏽🤝🧑🏻值👄,噴嘴人(rén)口的滯止(zhi)壓力和滞(zhì)止溫度不(bu)變時,通過(guo)噴嘴的流(liu)❄️量也不變(biàn),正是由于(yú)此特性使(shǐ)音速噴.嘴(zui)作爲标準(zhun)件廣泛應(yīng)用于🐅氣體(tǐ)流量标準(zhǔn)裝置中。
3.2音(yin)速噴嘴氣(qi)體流量标(biao)準裝置
音(yin)速噴嘴氣(qi)體流量标(biao)準裝置按(àn)照氣源壓(ya)力不同分(fèn)爲正壓♍法(fǎ)🏃和負壓法(fǎ)兩種。
正壓(yā)法裝置通(tōng)過改變噴(pēn)嘴人口的(de)滞止壓力(lì)改變🌈流過(guo)噴嘴的氣(qi)體流量,用(yong)較少的噴(pen)嘴實現較(jiào)寬的流量(liang)範圍,而且(qiě)較高而可(kě)🏃🏻♂️變的氣源(yuan)壓力可以(yǐ)使其工作(zuò)在正壓(絕(jue)壓0.2MPa以上💃🏻)狀(zhuang)态下,從而(ér)氣⭐體密度(dù)高于常壓(ya)裝置,具有(yǒu)不同密度(dù)(壓力)點上(shang)的試驗能(neng)力,可用于(yú)研究氣體(tǐ)密度變化(huà)對于流量(liang)儀表性能(neng)的影響。
本(běn)文試驗裝(zhuāng)置采用正(zhèng)壓法,工作(zuo)流量範圍(wei)爲工況2.5~666m3/h,工(gong)作壓力範(fan)㊙️圍爲表壓(ya)0.1~0.5MPa,裝置結構(gou)圖如圖2所(suo)示。工作原(yuán)理是:首先(xian)由空壓機(jī)将‼️大氣中(zhōng)的空氣送(sòng)人管道，經(jing)冷幹機除(chú)去水氣後(hòu)打人高壓(yā)儲氣罐中(zhōng),待儲氣罐(guan)壓力升高(gāo)到-定值之(zhī)後,調節穩(wen)壓閥使📱其(qi)下遊管道(dào)壓力穩定(ding)在合适值(zhí),經🈲穩壓閥(fá)調節後進(jin)入試驗管(guan)道的高壓(ya)🏃氣體先後(hòu)流經渦街(jie)流量計、滯(zhì)止容器、音(yīn)速噴嘴組(zu)、彙氣管、消(xiāo)音器後,最(zuì)終通向大(dà)氣。其中✨，音(yīn)速噴嘴組(zǔ)由安裝在(zai)滞止容器(qi)下遊的11個(ge)不同喉徑(jìng)音速噴嘴(zui)并聯而成(chéng),通過控㊙️制(zhì)音速噴嘴(zui)下遊的🏃🏻開(kai)關閥門,可(kě)以任意選(xuan)擇音速噴(pen)嘴的組💜合(he)方式，以達(dá)到改變被(bèi)測儀表流(liú)量的🥵目的(de)。通過對滞(zhi)止容器上(shang)溫🌈度變送(song)器T、壓力變(bian)送器P,信号(hào)采集,代人(ren)公式(5)便可(ke)得到通過(guò)音速噴嘴(zuǐ)的質量流(liú)量,亦即流(liú)過渦街流(liu)量計處的(de)質量流🔞量(liàng)。通過測量(liang)渦街流量(liàng)計處♈的溫(wen)度T和壓力(lì)P,可以計算(suan)出工作狀(zhuang)态下空氣(qì)密度,進而(ér)得到實際(ji)體積流量(liàng)。再根據相(xiàng)同時間♉間(jian)隔内渦街(jie)流量計輸(shū)出脈沖的(de)檢測，可最(zuì)終實現對(duì)渦街流量(liàng)計儀表系(xi)數等流量(liang)特性的研(yan)究。
上述全(quán)部工作過(guò)程均由計(ji)算機系統(tǒng)實時控制(zhì)和處👈理✨。經(jing)過分析和(hé)測試，試驗(yàn)裝置精确(que)度爲0.5級。
4流(liu)量特性試(shì)驗研究
4.1試(shì)驗方案
在(zài)正壓法音(yīn)速噴嘴氣(qi)體流量标(biao)準裝置，上(shàng),通過調🌏節(jiē)滞止壓力(lì)來改變介(jiè)質密度,在(zài)4個不同介(jie)質密度🔞條(tiao)件下,分别(bié)對❗50mm口徑渦(wō)街流量計(jì)進行大量(liàng)的試驗。通(tōng)過數🎯據分(fen)析,主要從(cong)兩方面考(kao)察介質密(mi)度變化對(duì)渦街流量(liàng)計流量特(tè)性的影📞響(xiang):
(1)考察渦街(jie)流量計儀(yí)表系數受(shou)密度變化(hua)影響程度(dù),驗證卡曼(màn)渦街理論(lùn);
(2)考察渦街(jiē)流量計測(ce)量下限随(sui)密度改變(bian)的變化趨(qū)勢,從理論(lùn)😄角度給予(yǔ)解釋。
4.2試驗(yan)數據及分(fèn)析
爲了保(bao)證音速噴(pen)嘴在喉部(bu)達到音速(su),并結合穩(wěn)壓閥的調(diao)壓⚽範圍，試(shi)驗選擇在(zai)表壓0.13MPa、0.2MPa.0.3MPa、0.4MPa下進(jìn)行,對應空(kong)氣🔞介質密(mi)度🐕分别爲(wei)2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3.5.987kg/m3。由于高壓(ya)儲氣罐的(de)容量有限(xiàn)(12m'),爲避免當(dang)流量大時(shí)管道内壓(ya)力下降迅(xùn)速，試驗最(zui)大✍️流量點(diǎn)選擇在176m3/h(對(duì)應流速爲(wei)25m/s);最小流量(liang)點即流量(liàng)下限正是(shi)本文要研(yan)究的流量(liàng)特性之一(yī)，由試驗結(jie)果而定。試(shi)驗嚴🔆格按(an)照國家計(ji)量檢定規(gui)程進行,在(zài)每🧑🏾🤝🧑🏼個介質(zhi)密度下整(zhěng)個流量範(fàn)圍内壓力(lì)變化不超(chāo)過1kPa,在每個(ge)流量點的(de)每一次檢(jiǎn)定過程中(zhōng)，壓縮空氣(qì)溫度變化(huà)不超過0.5℃。
根(gen)據試驗得(de)到的數據(jù),可繪制出(chū)如圖3不同(tóng)空氣密度(dù)下渦街儀(yí)表系數随(sui)流量變化(huà)曲線，并得(dé)到渦街流(liu)量♍計的流(liu)量特性見(jiàn)表1。
從圖3和(he)表1可總結(jie)出以下幾(jǐ)點結論:
(1)不(bu)同密度下(xià)渦街各點(diǎn)儀表系數(shù)随流量變(biàn)化曲線K-q,具(ju)有很🔆好的(de)相似性。小(xiao)流量下K值(zhí)波動較大(da),在流量點(dian)22m3/h處達到❄️峰(fēng)值✏️,之後K值(zhi)趨📐于常數(shù)且随着密(mi)度的增大(da)穩定性愈(yu)好,這是因(yin)🌈爲,影響渦(wo)街儀❤️表系(xì)數的斯特(te)勞哈爾數(shù)Sr是雷諾數(shù)Re的函數,而(er)Re的定義爲(wèi):
式中:μ爲動(dòng)力粘度。在(zài)流速U相同(tóng)情況下,ρ變(bian)大時Re也相(xiang)應變大,根(gen)據Sr-Re曲線'),Sr将(jiang)更加趨于(yu)平坦,故K值(zhí)随着介質(zhi)密度的增(zēng)🔞大穩定性(xing)愈好。
(2)随着(zhe)介質密度(du)的增大,渦(wō)街流量計(jì)儀表系數(shù)變化很小(xiao),最大相對(dui)誤差爲:
因(yin)而驗證了(le)卡曼渦街(jie)理論得出(chu)的渦街流(liú)量計幾乎(hū)不🏃♂️受流體(ti)密度變化(hua)影響的特(te)點,非常适(shi)合于氣體(ti)流量測量(liàng)。
(3)随着介質(zhì)密度的增(zeng)大,渦街流(liu)量計不确(què)定度和線(xian)性度基💞本(běn)❤️不💜變,渦街(jie)流量計準(zhun)确度爲1.5級(jí),且不受流(liu)體密度變(bian)化影響。
(4)随(suí)着介質密(mì)度的增大(dà),渦街流量(liàng)計流量下(xia)限降低,量(liàng)程擴大。這(zhè)是因爲,由(you)公式(2)可知(zhī),作用在旋(xuan)渦發生體(ti)上的升力(lì)FL與🈲被測流(liu)體的密度(dù)ρ和流速U平(ping)方成正比(bǐ)。當壓縮空(kong)氣密度ρ升(sheng)高時,在保(bǎo)證渦街流(liu)量計的檢(jian)測靈敏度(du)(即升力FL)不(bú)變的情況(kuang)下,測量流(liu)速U會相應(ying)降低,那麽(me)渦街流量(liang)計的流量(liàng)下限q.mi也會(hui)相應降低(dī)，上述過程(chéng)可表示爲(wei)下式:
5結論(lùn)
(1)随着介質(zhi)密度的增(zeng)大,渦街流(liú)量計儀表(biǎo)系數變化(hua)💔很小👄,最大(dà)相對誤差(cha)僅爲0.405%,驗證(zheng)了渦街流(liú)量計幾乎(hū)不受流體(ti)密度變化(hua)的影響。
(2)随(suí)着介質密(mì)度的增大(da),渦街流量(liang)計流量下(xià)限降低,量(liàng)🔱程擴大,根(gēn)據作用在(zài)旋渦發生(sheng)體上的升(shēng)力公式對(dui)此現象進(jìn)行了理論(lun)分析。
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