摘要:利用(yòng)正壓法音速噴(pēn)嘴氣體流量标(biao)準裝置,通過調(diao)🈲節試驗管道中(zhong)介質的工作壓(ya)力(0.23~0.5MPa)來改變介質(zhi)密度,分别在空(kong)氣密度爲2.774kg/m³、3.619kg/m³、4.782kg/m³、5.987kg/m³四種(zhǒng)情況下對50mm口徑(jing)氣體渦街流量(liang)計 的流量特性(xìng)(儀表系數、線性(xìng)度、不确定度.流(liu)量下限)進行了(le)大👌量試驗研究(jiu)。試驗結果表明(míng),不同密度下渦(wō)街流量🏃計儀🔴表(biǎo)系數的最大相(xiang)對誤差爲0.405%，驗證(zheng)了渦街流量計(ji)儀表系數幾乎(hū)不受流體密度(du)變化的影響;并(bìng)發現渦街流量(liang)計的流量下限(xiàn)随着介質密🈲度(du)的增大而向下(xià)延伸,對此現象(xiang)進行了分析。
1引(yǐn)言
　　氣體渦街流(liú)量計是一種利(li)用流體振動原(yuán)理來進行❄️流.量(liàng)測量的振動式(shì)流量計,廣泛應(ying)用于測量和工(gong)業過程控制領(lǐng)域中。但曆史較(jiao)短,理論基礎和(hé)實踐經驗不足(zu),還有許多🔅工作(zuò)需要探索、充實(shi).
　　渦街流量計流(liu)量方程經常引(yǐn)用卡曼渦街理(li)論,進而得💃出渦(wo)🙇🏻街流量計旋渦(wo)分離的頻率僅(jin)與流體工作狀(zhuàng)态下的體積流(liú)量成正比，而對(dui)被測流體溫度(dù)、壓力、密度、粘度(du)和組分變化不(bu)敏感的特點田(tián)實際應用中,現(xian)場工作條件的(de)變化到底會對(duì)🈲渦街流量計測(cè)量帶來多大的(de)附加誤差尚不(bu)明确。SophieGoujon-Durand研究了流(liu)💋體粘度對渦街(jiē)流量計線性度(du)的影響,繪出不(bú)♈同粘度對渦街(jiē)❗線性度的校正(zheng)曲線。中提到通(tong)過氣體不同☔工(gong)作壓力下的試(shi)驗驗證了渦街(jie)流量計不随介(jie)質密度變化的(de)結論,但是并未(wei)給出具體試驗(yan)🐅數據🆚。本文采用(yòng)試驗方法,利用(yòng)正壓法音速噴(pen)✔️嘴氣體流量标(biao)準裝置,在不同(tóng)介質密度下對(dui)渦街流量計的(de)流量特性進行(hang)對比研究,得到(dao)儀表系數和流(liu)量下限随密度(du)🔴變化曲線和趨(qu)勢,并對試驗🌈結(jie)🈲果進行分析解(jie)釋。
2渦街流量計(ji)工作原理
　　如圖(tú)1所示,管道中垂(chuí)直插人一梯形(xíng)柱狀旋渦發生(shēng)🌈體,随👄着流體📧流(liú)動,當管道雷諾(nuo)數達到一定值(zhi)時,在旋渦發生(sheng)♌體兩側會✍️交替(tì)地産生有規則(ze)的旋渦，這種旋(xuán)渦❓稱爲卡曼渦(wō)街。
 
　　式中:U1爲旋渦(wō)發生體兩側平(ping)均流速;U爲被測(cè)介質來流的平(píng)均👨‍❤️‍👨流速;Sr爲斯特(tè)勞哈爾數,對一(yī)定形狀的旋👄渦(wō)發生體在一定(dìng)雷諾數範圍内(nei)爲常數;m爲.旋渦(wō)發生體兩側弓(gong)形面積與🐉管道(dao)橫截面面積之(zhi)比。
　　流體在産生(sheng)旋渦的同時還(hai)受到一個垂直(zhi)方向上.力的作(zuo)用,根據湯姆生(shēng)定律和庫塔一(yi)儒可夫斯基升(shēng)力🈲定理,設作🔞用(yong)在旋渦發生體(ti)每單位長度上(shang)的升力爲Fl,有:
 
　　式(shì)中:CL爲升力系數(shù);ρ爲流體密度。
　　由(you)于交替地作用(yòng)在發生體上升(sheng)力的頻率就是(shì)旋渦的⛱️脫💃落頻(pin)率,通過壓電探(tan)頭對FL變化頻率(lü)的檢測,即可得(dé)到ƒ,再由式(1)可得(de)體積流量qv;
 
　　式中(zhōng):K爲渦街流量計(jì)的儀表系數。
　　從(cóng)式(3)、(4)可以看出,對(duì)于确定的D和d,流(liu)體的體積流量(liàng)qv與旋渦頻率ƒ成(cheng)正比,而ƒ隻與流(liú)速U和旋渦發生(shēng)體的幾何參數(shu)有關,且與被測(cè)流體的物性和(he)組分無關，因此(cǐ)可以得出渦🤞街(jie)流量計不受流(liu)體溫度、壓力、密(mì)度、粘度、組分因(yin)素的影響。本文(wen)研究在複雜的(de)現場環境下,工(gong)作壓力的增加(jiā)、介😍質密度的變(biàn)化對渦街流量(liang)計測量産⛷️生的(de)影響。
3試驗裝置(zhì)
3.1音速噴嘴工作(zuo)原理
　　文丘利噴(pēn)嘴是個孔徑逐(zhú)漸減小的流道(dào),孔徑最小♊的部(bù)分🤩稱爲噴嘴的(de)喉部,喉部的後(hou)面有孔徑逐漸(jian)擴大的流道。當(dāng)氣體🌐通過噴嘴(zui)時,喉部的氣體(tǐ)流速💛将随着節(jiē)流壓力比減🥰小(xiao)而增大。當節流(liu)壓力比小到-.定(dìng)值時，喉部流速(sù)達到最大流速(sù)一音👉速。此時若(ruò)再減小節流壓(yā)力比,流速🔱(流量(liang))将保持音速不(bu)變，不💚再受下遊(yóu)壓力的影響,而(ér)隻與噴嘴入口(kou)處的滞止壓力(lì)和溫度有關,此(cǐ)時的噴嘴稱爲(wei)音速噴嘴,流量(liàng)方程式爲:
 
　　式中(zhong):qm爲流過噴嘴的(de)質量流量;An爲音(yin)速噴嘴喉部面(miàn)積;C爲流出系數(shù);C.爲臨界流函數(shu);P0爲音速噴嘴人(rén)口處滞止🔞絕對(dui)壓力;T0爲音速噴(pēn)嘴人口處滞止(zhǐ)絕對溫度;R爲通(tōng)用氣體常數;M爲(wei)氣體千摩爾質(zhì)量。
　　從式(5)可以看(kan)出,一種喉徑的(de)噴嘴隻有一個(gè)臨界流量值，噴(pēn)💃嘴入❗口的滯止(zhi)壓力和滞止溫(wēn)度不變時,通過(guo)噴嘴的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流量也(yě)不變,正是由于(yú)此特性使音速(sù)噴🤟嘴作爲标準(zhun)件廣泛應用于(yú)氣💋體流量标準(zhǔn)裝置中。
3.2音速噴(pēn)嘴氣體流量标(biāo)準裝置
　　音速噴(pen)嘴氣體流量标(biao)準裝置按照氣(qi)源壓力不同分(fen)爲💞正壓法和負(fù)壓法兩種。
　　正壓(ya)法裝置通過改(gai)變噴嘴人口的(de)滞止壓力改變(biàn)流過噴嘴的氣(qì)體流量,用較少(shao)的噴嘴實現較(jiao)寬的流量範圍(wéi),而且較高而可(kě)變的氣源壓力(li)可以使其工作(zuò)在正壓(絕壓0.2MPa以(yǐ)上)狀态下,從而(ér)氣體密度高于(yu)常壓裝置,具有(you)不同密度(壓力(lì))點上的試驗能(néng)力,可用于研究(jiū)氣體密度變化(hua)對于流量儀表(biao)性能的影🌈響。
　　本(běn)文試驗裝置采(cai)用正壓法,工作(zuo)流量範圍爲工(gōng)況🌈2.5~666m³/h,工作壓力範(fan)圍爲表壓0.1~0.5MPa,裝置(zhì)結構圖如圖2所(suo)示。工作🌏原理🈲是(shi):首先由空壓機(ji)将大氣中的空(kōng)氣送人管道🏃‍♀️，經(jing)冷幹機除去水(shuǐ)氣後打人高壓(ya)儲氣罐中,待儲(chu)氣罐壓力升高(gāo)到-定值之後,調(diao)節💃🏻穩壓閥使其(qí)下遊管道壓力(li)穩定在合适值(zhí),經穩壓閥調節(jie)後進人試驗管(guan)道的高壓氣體(tǐ)先後流經渦街(jie)流量計、滞止容(róng)器、音速噴嘴組(zu)、彙氣管、消音器(qì)後,最終通向大(da)氣。其中，音速噴(pēn)嘴組由安裝在(zài)滞止容器下遊(yóu)的‼️11個不同喉徑(jing)音速噴嘴并聯(lián)而成,通過控制(zhì)音速噴嘴下遊(yóu)的開關閥門,可(kě)以任🐕意選擇音(yin)速噴嘴的組☂️合(he)方式,以達到改(gǎi)變被🌍測儀表流(liu)量的目的。通過(guò)對滞止容器上(shàng)溫度變送器T、壓(ya)力變送器P1信号(hao)采集,代人公式(shì)(5)便可得到通過(guo)音速噴嘴的質(zhi)量流🔱量,亦即流(liú)過渦街❤️流量計(ji)處的質量流🌈量(liàng)。通過測量渦街(jiē)流量計處的溫(wēn)度T和壓力P,可以(yi)計算出工作狀(zhuàng)态下空氣密度(du),進而得到實際(ji)體積流量。再根(gēn)據相同時間🏃‍♂️間(jian)隔内渦街流量(liàng)計輸出脈沖的(de)檢測，可最終實(shí)現對渦街流量(liang)計儀表系數等(děng)流量特性的研(yán)究。
　　上述全部工(gōng)作過程均由計(jì)算機系統實時(shí)控制和處理。經(jing)🌂過分析和測試(shì)，試驗裝置精度(du)爲0.5級。
 
4流量特性(xìng)試驗研究
4.1試驗(yan)方案
　　在正壓法(fa)音速噴嘴氣體(ti)流量标準裝置(zhì)上,通過調節滞(zhì)📧止壓力來改變(bian)介質密度,在4個(ge)不同介質密度(du)❄️條件💁下,分别對(dui)🐪50mm口徑渦街流量(liàng)計進行大量的(de)試驗。通過數⭐據(jù)分析🈚，主要從兩(liǎng)方面考察介💋質(zhì)密度變化🔆對渦(wo)街流量計流量(liang)特性的影響:
(1)考(kǎo)察渦街流量計(ji)儀表系數受密(mì)度變化影響程(cheng)度,驗證卡曼渦(wo)街理論;
(2)考察渦(wō)街流量計測量(liàng)下限随密度改(gai)變的變化趨勢(shì),從🌈理論角度給(gěi)予解釋。
4.2試驗數(shù)據及分析
　　爲了(le)保證音速噴嘴(zui)在喉部達到音(yin)速,并結合穩壓(ya)閥的調🌍壓範圍(wéi)，試驗選擇在表(biao)壓0.13MPa、0.2MPa、0.3MPa.0.4MPa下進行,對應(ying)空氣介質密度(du)分别爲2.774kg/m³、3.619kg/m³、4.782kg/m³、5.987.kg/m³。由于高(gāo)壓儲氣罐的容(rong)量有限(12m³),爲避免(mian)當流量大時管(guan)道内壓力下降(jiang)迅速，試驗最大(da)流量點選✍️擇在(zài)176m³/h(對應流速爲25m/s);最(zuì)小流量點🚶‍♀️即流(liu)量下💯限正是本(ben)文要研究的流(liú)量特性之一，由(you)試驗結果而定(dìng)。試驗嚴格按照(zhào)國家計量✨檢定(ding)規程進行,在每(mei)個介質密🔞度下(xià)整個流量範圍(wei)内壓力變化不(bú)超過1kPa,在每個流(liú)量點的每一次(ci)檢定過程中,壓(ya)縮空氣溫度變(bian)化不超過0.5℃
　　根據(jù)試驗得到的數(shù)據,可繪制出如(rú)圖3不同空氣密(mi)度㊙️下渦街儀表(biǎo)系數随流量變(biàn)化曲線,并得到(dao)渦街流量計的(de)流量特性見表(biǎo)1。
 
　　式中:(Ki)max、(Ki)min爲各流量(liang)點系數Ki中最大(dà)值、最小值;Kij爲第(dì)i個流量點第j次(ci)儀表系數值;Ki爲(wèi).第i個流量點的(de)平均儀表系數(shù)。
　　從圖3和表1可總(zǒng)結出以下幾點(diǎn)結論:(1)不同密度(du)下渦街♌各點儀(yi)表系數随流量(liàng)變化曲線K-qv具有(you)很好的相似性(xìng)。小流量下K值波(bō)動較大,在流量(liang)點22m³/h處達到峰值(zhi),之後K值趨于常(chang)數且随❌着密度(du)的增大🈲穩定性(xing)愈好,這是因爲(wei),影響渦街儀表(biǎo)系數❄️的斯特勞(láo)👄哈爾數Sr是雷諾(nuo)數Re的函數,而Re的(de)定義爲:
 
　　式中:μ爲(wèi)動力粘度。在流(liú)速U相同情況下(xia)，ρ變大時Re也相應(ying)變大,根據Sr-Re曲線(xiàn)(5),Sr将更加趨于平(ping)坦,故K值随着介(jie)質密度的增大(dà)穩定性愈好。
(2)随(suí)着介質密度的(de)增大,渦街流量(liang)計儀表系數變(biàn)化很小，最大相(xiang)對誤差爲:
 
　　因而(ér)驗證了卡曼渦(wō)街理論得出的(de)渦街流量計幾(jǐ)乎不受流體密(mi)度變化影響的(de)特點,非常适合(he)于氣💯體流量測(cè)量。
(3)随着介質密(mì)度的增大，渦街(jiē)流量計不确定(ding)度和線性🔆度基(ji)👅本不變,渦街流(liu)量計精度爲1.5級(ji),且不受流體密(mi)度變化🈲影響🌈。
(4)随(suí)着介質密度的(de)增大,渦街流量(liang)計流量下限降(jiàng)低,量程擴大。這(zhe)是因爲,由公式(shì)(2)可知,作用在旋(xuan)渦發生✍️體上的(de)升力FL與被測流(liu)體的密度ρ和流(liu)速U平方成正比(bǐ)。當壓縮空氣密(mi)度ρ升🤟高時,在保(bǎo)證渦街流量計(ji)的檢測靈敏度(du)(即升力F)不變的(de)情況下,測量流(liu)速U會相🈲應降低(di),那麽渦街流量(liàng)計的.流量下限(xiàn)🍓qvmin也會相應降低(di),上述過程可表(biǎo)示爲下式:
 
　　式中(zhōng)α爲常數,可見流(liú)量下限qvmin與相應(ying)狀态下空氣密(mì)度平方根的倒(dǎo)數即ρmin-1/2成正比,這(zhe)就是渦街流量(liàng)計流量下限随(sui)⁉️介質密度增大(dà)而降低現象出(chu)現的理論⁉️分析(xī)。結合表1中實際(ji)數據,繪出qvmin~ρmin-1/2曲線(xian),見圖4。
 
　　由圖4可見(jiàn),試驗得到的qvmin~ρmin-1/2曲(qǔ)線基本符合公(gōng)式(10)所述的線♈性(xìng)關🧑🏾‍🤝‍🧑🏼系㊙️,隻是在空(kōng)氣密度爲4.782kg/m³點處(chu)誤差較大,這是(shì)由于音速🌈噴嘴(zuǐ)✉️标準裝置對于(yú)流量點調節的(de)非連🔞續性造成(chéng)的(在流量點14.8m³/h與(yǔ)9.9m³/h之間無中間流(liú)量點)。
5結論
(1)随着(zhe)介質密度的增(zeng)大,渦街流量計(ji)儀表系數變化(hua)很🌈小，最😘大相🌈對(duì)誤差僅爲0.405%,驗證(zheng)了渦街流量計(ji)幾乎🔴不受🈲流體(tǐ)密度變化的影(ying)響。
(2)随着介質密(mi)度的增大,渦街(jiē)流量計流量下(xia)限降低,量程🈲擴(kuò)大🏃‍♂️,根據作用在(zài)旋渦發生體上(shàng)的升力公:式對(dui)此現象🏒進行🐅了(le)理論分析。

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