摘要:一種執行德(de)國标準DIN2501的進口氣(qi)體渦街流量計 安(an)裝在國标流量裝(zhuang)置上進行标定時(shí)，因兩者管道👉内徑(jìng)尺寸存在差異，導(dǎo)緻常規方法下測(cè)壓位置的選取對(duì)标準裝置體👨‍❤️‍👨積流(liu)量值的計算正确(que)率造成影響，因而(ér)産生🐕實驗誤差;本(ben)文對這一現象進(jin)行分析研究，并通(tōng)過多組👨‍❤️‍👨實驗數據(ju)對比，驗證了系統(tǒng)誤差确實存在，但(dan)在常溫常壓以空(kong)氣作⚽介質的實驗(yan)👉條件下，此誤😍差的(de)影響量很小，一般(ban)可忽略不計，由此(ci)說明應🈲用常規的(de)實驗方法對該🛀🏻類(lèi)進口渦街流量計(jì)進行标定也是可(ke)行的。
0引言
　　渦街流(liu)量計 是通過卡門(men)漩渦原理測量流(liú)體流量的一種儀(yí)表，相比⁉️上世紀80年(nian)代使用較爲廣泛(fan)的孔闆流量計，其(qí)具有結構簡單🛀🏻，壓(ya)力損失小，量程範(fan)圍寬，便于安裝等(děng)優點［1］。因此，随着技(ji)術的發展，渦街流(liu)量計在工業計量(liàng)上的使用逐漸成(chéng)爲主流(以下簡稱(cheng)流量計或儀表)。
1工(gong)作原理
　　流量計通(tong)過在流體中設置(zhi)三角柱型旋渦發(fa)生體🍓，使流體産生(shēng)卡門漩渦，在一定(dìng)雷諾數範圍内，旋(xuan)渦的釋放頻率與(yǔ)✊流體平均流速、旋(xuan)渦發生體特征寬(kuan)度有關，通過測量(liang)旋渦頻率可以計(jì)算出流體的流速(sù)，再測得💃流量計管(guǎn)道截面積可換算(suan)得體積流量🏃🏻［1－2］。
2氣體(tǐ)流量标準裝置
　　流(liu)量計在投入使用(yòng)前進行量值溯源(yuán)是不可缺少🔴的環(huan)節，而在量值傳遞(dì)工作的開展中，負(fu)壓法臨界流文💛丘(qiu)裏噴嘴氣體流量(liàng)标準裝置是一種(zhǒng)十分典型常見的(de)流量标準裝置，如(ru)圖📞1所示，它具備結(jie)構簡單、穩定性❗好(hǎo)、适用範圍廣等優(you)點，其工作原理是(shì)當✌️氣體在噴嘴上(shàng)下遊的壓差達到(dao)一定值時将形成(chéng)臨界流，此時流📧經(jīng)噴嘴喉部的氣體(tǐ)流速達到最大值(zhi)，測量該狀态下流(liú)體的溫度、靜壓、濕(shī)度，由密度換算得(de)流過噴嘴的氣體(tǐ)質量流量，根據連(lián)續性原理，流場内(nei)各處質量流量相(xiàng)等［3］。通💔過選用不同(tóng)的噴嘴組合使标(biao)準流量可控，以㊙️滿(mǎn)足對流量計進行(háng)标定的實驗需求(qiu)。
 
3執行标準不同帶(dài)來的管徑差異
　　以(yi)無縫鋼管爲例，由(you)于存在标準體系(xì)、尺寸的單位制等(děng)🔴差異，再❓有加工誤(wù)差因素，标稱通徑(jing)相同的兩段管道(dao)，它們的實際内徑(jìng)尺寸也不盡然相(xiang)等。如圖⛷️2所示，這款(kuǎn)Prowirl72F系列的德國進口(kǒu)Endress+Hauser品💰牌流量計，參考(kao)說明書标示，如圖(tu)3所示，其表體管道(dao)生産工藝依據德(dé)标DIN2501标準，部分規格(ge)的流量計外形尺(chǐ)寸如‼️表1所示，常見(jian)👉用于中低壓環境(jìng)下的流量計内徑(jìng)d普遍比标稱值偏(piān)大約3%至7%。而在國内(nèi)用于🔱标定流量計(jì)的标準裝置爲保(bao)障通用性需求👌，一(yi)般遵循我國現行(hang)🌈的國家标💃🏻準設計(jì)，其中直管段部分(fen)選材依據GB/T17395－2008，各規格(gé)的管道🔞通徑尺寸(cun)與标稱值接近相(xiang)等，在對上述🔴德标(biāo)流量計進行标定(ding)時，會出現因🐅兩者(zhe)管道内徑存在一(yī)定差異的情況，将(jiāng)可能帶來實驗🛀🏻誤(wu)差。  
 
4标定誤差來源(yuan)分析
　　渦街流量計(jì)本質上是一種速(su)度式流量計，其直(zhí)接測量🤩的量爲介(jiè)質的流速，考慮到(dào)由于體積流量僅(jin)🌏以介質流速及截(jié)面積确定，不受其(qi)他因素影響，因此(cǐ)，一般以體積😄流量(liang)進行示值誤差或(huo)儀表系數的計算(suàn)依據。
　　在使用文丘(qiu)裏噴嘴氣體流量(liang)标準裝置對流量(liàng)計💰進行标定🔅時，根(gen)據連續性原理，達(dá)到臨界條件後，隻(zhī)👨‍❤️‍👨要分别測得被檢(jian)流量計🈚、噴嘴兩處(chù)的氣體溫度、靜壓(ya)、濕度，則可通過密(mì)度關系計算被檢(jian)表處流量标準值(zhi)，即标🏃準裝置示值(zhí)，再讀取流量計示(shì)值即可計🤞算示值(zhí)誤差💁。但如上文所(suǒ)示的流量計一般(bān)無法直🧑🏽‍🤝‍🧑🏻接測量其(qí)内㊙️部🔞氣體狀态參(cān)數，而隻能在儀表(biǎo)上、下遊的管道🐆上(shang)進行開孔測量作(zuo)近似估值，通過此(ci)方式所測流量标(biao)準值📧實際爲測量(liàng)孔截面處氣體流(liú)💚量。考慮到在實驗(yàn)室條💰件下，氣體的(de)溫度、濕度基本恒(héng)定，而在不同的位(wei)置測📱量的靜壓值(zhi)則有較大差異，因(yīn)此，測壓位置的選(xuan)取對體積流量标(biao)準值的計算正确(que)率起重要影響。根(gēn)據　　JJG1029－2007《渦街流量計檢(jian)定規程》，一般于儀(yi)表下遊段2至7倍内(nei)徑距離的👉範圍内(nèi)都可♊認爲是合理(li)的測壓位置，所測(cè)靜壓與儀表内部(bù)🚩實際值近似視作(zuo)相等［4－5］，但當被檢儀(yi)表爲上文所述E+H流(liú)❗量計時，由于其表(biǎo)體管道内徑稍大(dà)于标準裝置管道(dào)，則儀表與直管段(duan)間連接處💛将出現(xian)突變轉折截🎯面，如(rú)圖4所示，當氣體流(liu)經轉折面時，将産(chan)生一定壓力損失(shī)，此時下遊段測壓(ya)處所測得氣體靜(jing)壓理🐕論上比儀表(biǎo)内部實際值小，導(dǎo)緻計算所得标準(zhǔn)體積㊙️流量比儀表(biao)處實際值大，且流(liú)量越大該過程的(de)壓🥰能損失越多，下(xia)遊測壓計算所得(dé)标準值越偏離真(zhēn)值，這種誤差可認(rèn)爲是實驗方法引(yin)起☁️的系統誤差［6］。
 
4.1機械能損失分析(xī)
　　因流量計傳感器(qi)組成部分前後均(jun)有一定長度表體(tǐ)直管段🔅且與标準(zhun)裝置管道間内徑(jing)差異較小，流場擾(rǎo)動基本被儀表本(běn)身抗幹擾能力克(kè)服，可認爲🌈流量計(ji)計量性能不受影(ying)響，則📧隻需考慮氣(qì)體靜壓測量值的(de)正确率。從能量損(sun)失角度分析:如圖(tú)5所示，由于流線不(bu)能轉折，流體在流(liú)經突然收縮斷面(mian)時，将形成流股⁉️收(shōu)縮，至c－c斷面後逐漸(jian)擴散，在此過程中(zhōng)，流體先有加速的(de)收縮流後減速的(de)擴散流兩者都産(chǎn)生阻力［7］。爲簡化分(fen)🈲析此過程中的能(neng)量損失，設流體爲(wèi)不可♈壓縮流體，設(she)c－c斷面處💁的理想平(ping)均流速爲v0，根據伯(bó)努利方程:
 
　　式中，α1爲(wèi)動能修正系數，無(wu)量綱;v1爲斷面1－1處流(liu)體平均⚽流速，m/s;P1爲⛹🏻‍♀️斷(duàn)面1－1處流體靜壓，N/m2;α0爲(wei)動能修正系數，無(wu)量綱;v0爲斷面c－c處流(liú)體理想平均流速(su)，m/s;PC爲斷面c－c處流體靜(jing)壓，N/m2;ρ爲流體🐉密度，kg/m3;g爲(wèi)重力加速度，N/kg或m/s2。
　　實(shí)際上從1－1斷面至c－c斷(duan)面間存在一定能(néng)量損失，假設爲✨U1，再(zài)者c－c斷面的實際平(ping)均流速νC要比v0稍小(xiao)一些，它們的比值(zhí)νC/v0=Cν，稱爲流速系數，一(yi)般約爲0.99～0.97［7］，基于本文(wén)所讨論✌️情況，該斷(duan)面收縮較小，取Cν=0.99計(ji)算，且在紊流狀态(tai)下α1=α0=1，即:
 
 
　　由于在标定(dìng)實驗中，流體介質(zhi)一般爲空氣，而空(kōng)氣是一🚶‍♀️種可壓縮(suo)流體，考慮到在重(zhòng)力場中，可壓縮性(xìng)流體的勢能與壓(yā)力㊙️能、動能比較起(qi)來是小得可以忽(hu)略不計的［7－8］，即伯努(nu)利方程可🐅簡化爲(wèi)以下形式:
 
　　其中C爲(wèi)常數，且氣體在流(liu)量計内(斷面1－1處)流(liu)至測壓👌處✍️(斷面2－2)的(de)過程中可近似地(di)看作等熵過程，因(yīn)此，有P1/ρk1=P2/ρk2，ρ1=P1/P2()1/kρ2，對于❌空氣的(de)等熵指✨數k≈1.4，由于在(zài)此過程中單位質(zhì)量流體的能量損(sun)失U很小，爲簡化分(fèn)析直接用ρ2計算其(qi)💋機械能損失，則方(fang)程可寫爲：
 
　　式中，P1爲(wei)流量計内(斷面1－1處(chu))空氣靜壓，N/m2;ρ1爲流量(liàng)計内(斷面1－1處🔞)空氣(qì)密度，kg/m3;v1爲流量計内(nei)(斷面1－1處)空氣平均(jun)流速，m/s;P2爲測壓點(斷(duàn)面2－2處)空氣靜壓，N/m2;ρ2爲(wei)測壓點(斷面2－2處)空(kōng)氣密度，kg/m3;v2爲流量計(jì)内(斷面2－2處)空氣平(ping)均流速，m/s。
　　由于在标(biāo)定實驗中，空氣的(de)質量流量Qm可通過(guò)文丘裏噴嘴⭐測量(liàng)🆚換算得到，設斷面(miàn)1－1處、斷面2－2處管道面(miàn)積爲S1、S2，則空氣🌈在兩(liǎng)處的流速分别爲(wèi):
 
　　式中，Qm爲空氣的質(zhi)量流量，kg/s;S1爲斷面1－1管(guǎn)道截面積，m2;S2爲斷面(miàn)🌈2－2管道截面積，m2。
　　經過(guo)變換得到一個一(yī)元方程，僅有ρ1爲未(wei)知量，各項參數均(jun)能在實驗中直接(jie)測量或換算所得(de)，通過使用軟🏃‍♂️件工(gong)🔞具如MATLAB、Excel或其他方式(shì)解出ρ1，則P1=P2ρk1/ρk2，流量計内(nèi)體積流量的❌理論(lùn)值QV爲:
 
式中，QV爲空氣(qi)的體積流量，m3/s。
5實驗(yàn)數據比較
　　通過使(shi)用文丘裏噴嘴氣(qì)體流量标準裝置(zhì)對三個不同規格(ge)的♋E+H渦街流量計進(jin)行标定，由标準器(qi)測量🔅及密度換算(suan)得Qm、P2、ρ2，使用遊标卡尺(chi)分别測量流量計(ji)與裝置管道内徑(jìng)A1、A2，并計算兩者通✔️徑(jing)截面積S1、S2、收縮系數(shù)Cc、測壓處截面參考(kǎo)流速v2、單位質量流(liu)體的能量損失U，利(li)用MATLAB軟件中的solve函數(shu)求解🈲式(14)，得流量計(ji)内氣體的理論密(mì)度ρ1，理論靜壓P1，根據(jù)式(15)得理論體積流(liú)量QV，計算其與标準(zhun)裝置體積流量示(shì)值的相對誤差。表(biao)1～3爲三種規格流量(liàng)計的實驗數據
 
　　根(gēn)據實驗數據，流量(liang)計體積流量示值(zhi)與計算所得理論(lùn)實際值雖然不相(xiang)等，但從相對标準(zhun)裝置示值的誤🐕差(cha)線性關🛀系來看，兩(liǎng)者所呈現的誤差(cha)均随着流速的💞增(zēng)加而往負方向增(zeng)長，如圖6、圖7所示。從(cóng)這個🔴角度來看，符(fú)合“因過程存在壓(ya)能損失導緻下遊(yóu)測❌壓所得靜壓🌈值(zhí)偏小，流量✔️裝置換(huan)算出的标準體積(jī)流量示值偏大”這(zhe)一分析。
 
 
6結論
　　對這(zhe)類内徑偏大的渦(wō)街流量計采用下(xia)遊測壓的常規🌈方(fāng)法❗進行标定時，标(biao)準裝置的體積流(liu)量示值實存🐕在一(yī)定誤差，但計算數(shù)據也表明，在常溫(wen)常壓、使用空氣作(zuo)介質的條件下，即(jí)使在流速較高時(shi)，由該方法引入的(de)系統📧誤差也很👉小(xiao)，僅爲0.1%左右，對于絕(jué)大多數精度等級(ji)爲1.0甚至更低或使(shi)用場合無極高精(jing)度要求的流量計(jì)，一般可忽略此誤(wu)差，參照檢定規程(chéng)要求在流量✏️計下(xia)遊段測壓的👉标定(ding)方法是可行🌏的。當(dāng)然，若是利用蒸汽(qì)或其他密度較🔴大(dà)、流速更高的介質(zhi)進行标定時，該系(xi)統誤差也會随之(zhi)增大，建議盡量采(cai)用表❄️體取壓或制(zhi)作匹配檢測管線(xiàn)的方法進行實驗(yàn)。

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