[摘要(yào)]本文針對渦街流(liú)量計 在不同介質(zhi)下的計量性能，依(yi)據流體力學,通過(guò)理論分析得出對(duì)于可壓縮流體介(jiè)質須考慮其可壓(yā)縮性🈲對渦街流量(liàng)計🚶‍♀️的影響,爲此選(xuǎn)用四台不同口🈲徑(jing)的渦街流量計,在(zài)雷諾數相似準則(ze)指導下進行了實(shí)流标✊定實驗,得到(dào)水、空氣和蒸汽介(jie)質下的标❄️定儀表(biǎo)系數,結果表明:介(jiè)質可壓縮性和渦(wo)街流量⁉️計幾何尺(chi)寸⭐是影響渦街流(liú)量計計量性能的(de)重要因素,不同介(jiè)質下渦街流量計(ji)的标定儀表.系數(shù)不同,不可壓縮流(liu)體水介質下的标(biāo)定系數不能直接(jie)應用到可壓縮流(liu)體蒸汽介質上,須(xu)進行修正,介質可(kě)壓縮性和渦街流(liu)量計幾何尺寸可(ke)作爲修正因子。
引(yin)言
　　渦街流量計由(yóu)于其耐高溫、壓損(sun)小的特點，被廣泛(fan)應用于蒸汽流量(liang)計量領域中。對用(yòng)于蒸汽計量的渦(wo)街流量計進行量(liang)值溯🐪源時，通常使(shǐ)用三種标定♋介質(zhi):蒸😘汽、水和空氣。以(yǐ)蒸汽作🔴爲檢定🧑🏽‍🤝‍🧑🏻介(jie)質進行實流标定(dìng)，其優點是裝🏃🏻‍♂️置檢(jian)測條件與被檢流(liu)量計的💘實際使用(yong)工🔞況接近,但由于(yu)蒸汽實流檢測裝(zhuāng)置設計難度大、運(yùn)行成本高、安全性(xìng)差等的限制，實🧑🏽‍🤝‍🧑🏻際(ji)應用很少。通常認(rèn)爲在--定雷諾數範(fan)圍内，渦街流量計(jì)旋渦分離頻率對(dui)被測流體壓力、溫(wen)度、粘度和組分變(biàn)化不敏感，在幾何(he)相🧑🏾‍🤝‍🧑🏼似和動力相似(sì)條件下，可用一一(yi)種典型介質(水或(huò)空氣)進行标定。因(yīn)此實際檢🥰定工作(zuò)中基本使用基于(yú)水♋介質或者空氣(qi)介質的檢測裝置(zhi)進行标定。以上關(guan)于渦街流量計不(bú)受流體介質種類(lèi)影響的假設是基(jī)于渦街😍流❗量計原(yuan)理公式的理論分(fen)析，目🛀🏻前并無實驗(yàn)數據支撐。
　　針對渦(wō)街流量計在不同(tong)流體介質下的計(jì)量特性，通過對渦(wō)街流量計在空氣(qi)、水和蒸汽介質下(xia)的比對實驗，分析(xī)了渦街📧流量計儀(yí)表系數和測試介(jiè)質的關系🔱，得到了(le)三種介質下儀🔅表(biǎo)系數的規律性偏(pian)差，提出了針對溫(wēn)度和介質可壓縮(suo)性的系數修正🚶計(ji)算方法。分析了介(jiè)質可壓縮性對渦(wo)街流量計計量特(te)性的影響，并通過(guo)實流測試和CFD仿真(zhēn)分析空氣和水介(jie)質下的儀🔆表系數(shù)偏差，結果表明空(kong)氣介質下的渦街(jiē)流量計儀表系數(shù)大于水介💞質中的(de)儀表系數，與理論(lùn)分析一緻。利用Fluent軟(ruǎn)件對渦街流量計(jì)在蒸汽、空氣和水(shui)三種介質下進行(hang)仿真，仿真結果表(biǎo)明三種介質下儀(yi)表系數從大到小(xiǎo)依次爲:空氣、蒸汽(qi)、水☔，說明空氣受介(jie)質的可壓縮性影(yǐng)響最大。不同口徑(jing)的渦🔴街流量計分(fen)别在音速噴嘴法(fǎ)氣體流量标準裝(zhuāng)置和冷💃🏻凝稱重法(fa)蒸汽流量标準裝(zhuāng)置上進行蒸汽和(hé)空氣介質下的實(shi)驗，實驗設置了6個(ge)流量點，得到儀表(biao)🈲系數和重複性等(deng)數據，結果顯示空(kong)氣介質下渦街流(liu)量計儀表系數在(zài)最大流量點均有(you)👉明顯的下降，不同(tóng)口徑渦街流量計(ji)在蒸汽介質下的(de)儀表系✉️數随流量(liàng)點的變化曲線基(jī)本一緻，且腔📞氣介(jie)質下的儀表系數(shù)整體上大于蒸汽(qì)介質下的🌂值。利用(yòng)正壓👌法音速噴嘴(zui)氣體流量标準裝(zhuāng)🍉置研究了不同空(kong)氣密度下的渦街(jiē)流量計的流💔量特(te)性，結果表明随着(zhe)介質密度的增大(dà)，渦街流量計儀表(biao)系數相對🌈誤差最(zuì)大爲0.405%，且流量下限(xiàn)降低，量程擴大。
　　受(shou)介質可壓縮性和(he)溫度的影響，采用(yòng)空氣或水介🐪質作(zuò)爲标定介質對蒸(zheng)汽流量計量渦街(jiē)流量計進行實🌏流(liu)标定會産生✂️一定(ding)程度的偏差。爲保(bao)證蒸汽計量渦☔街(jie)流量計的計量可(ke)靠⁉️性、節約✨計量溯(su)源成本、避免蒸汽(qi)貿易計♊量差額，有(you)🌈必要對渦🔞街流量(liang)計🔞在蒸汽介質與(yǔ)空氣、水介質下的(de)計量特性。目前，相(xiàng)關人員針對渦街(jiē)流量計在不🏃🏻同介(jie)質下的計量特性(xìng)做了大量實驗研(yan)究，測試流量點分(fen)布大多采用最大(da)量程的不同百分(fen)比來劃分(如最大(dà)流量點的60%、40%等)，由于(yu)采用不同介質的(de)渦街流量計有着(zhe)不同的量程範圍(wei)，這種不同介質間(jiān)的簡單的流🐇量點(dian)對應💋缺乏理論支(zhī)撐，其對比結果存(cun)疑。
　　本文從流體力(lì)學基本原理出發(fā)，對不同介質下的(de)實驗流量點按照(zhào)雷諾相似準則進(jin)行對應，保證不同(tóng)介質下的流場力(li)學相似，從而使得(de)對應流量點之間(jiān)的實驗對比有理(lǐ)論支撐。選取四台(tai)不同口徑(DN50、DN100、DN150和DN200)蒸汽(qì)計量領域應用較(jiao)廣的某品牌渦街(jie)流量計，分别在蒸(zheng)汽介質、水介質和(he)空氣介，質🏃‍♂️流量标(biāo)準裝置上進行研(yan)究，分析對比不同(tong)介質下渦街流量(liang)計的計量性🌈能及(jí)影響因素
1渦街流(liu)量計基本原理
 
　　渦街流量計依據(jù)的基本原理爲“卡(ka)門渦街”原理，即🏃🏻‍♂️在(zài)測量管🔅道中垂直(zhi)地插入一段非流(liú)線型阻流體(旋渦(wō)發生體)，當流體流(liú)動，管道内雷諾數(shù)達到一定值時，在(zài)發生體下遊兩側(cè)會交💋替分離出規(gui)則排列的旋渦，稱(cheng)爲卡門渦🏃街，渦街(jiē)流量計的工📧作原(yuan)理如圖1所示。在一(yī)定雷諾數範圍内(nei)，旋渦分離頻率由(yóu)旋渦發生體幾何(hé)尺寸、測量管道幾(jǐ)何尺寸以及管道(dào)⛷️中流體流速決定(ding)，計算公式爲":
 
　　式中(zhōng):ƒ一旋渦分離頻率(lǜ)，Hz;Sr-斯特勞哈爾數;U1一(yī)發生體兩💯側🔴流體(ti)平均流速，m/s;U一管道(dao)來流平均流速，m/s;m一(yi)發生體兩側弓形(xing)流通面積與管道(dào)橫截面積之比。
　　對(duì)于不可壓縮流體(ti)，流體在流經發生(sheng)體前後密度不變(biàn)，根據流🈲體連續性(xing)定理可得:
 
　　由公式(shì)(5)可知渦街流量計(ji)儀表系數可代表(biǎo)渦.街流量計的計(ji)量特性，本文選擇(zé)儀表系數作爲不(bú)同介質間渦街流(liú)量💋計對比參數。從(cóng)公式(5)可以看出，渦(wo)街流量計儀表系(xì)📞數隻與渦街流量(liang)計發生體和測量(liang)管體幾何尺寸、斯(sī)特勞哈爾數💃Sr有關(guān)，其中斯特勞哈💰爾(ěr)數Sr在一定雷諾數(shu)ReD範圍👈内爲常數”，與(yǔ)被測流體的🎯特性(xìng)和組分無關嗎。上(shàng)述理論😄分析常作(zuo)爲渦街流量計在(zài)不✍️同介質下通用(yong)🥰标定的依據，例如(rú)在水流量🐪标準裝(zhuāng)置中校驗💯的渦街(jie)流量計可直接用(yòng)于氣體工作介質(zhì)。但是.上述分析是(shì)在工作流體不可(ke)壓縮這一假設下(xia)完成的，對😄于可壓(ya)縮流體，公式(3)不再(zai)成立，根據可壓縮(suō)流體伯努利方程(cheng):
 
　　從公式(9)可以看出(chū)對于可壓縮流體(tǐ)，介質來流速度與(yu)發生體🈲兩側的速(sù)度的關系不僅與(yu)幾何尺寸有.關，還(hai)與介✊質等熵指數(shù)、壓‼️力、密度有關。因(yin)此，渦街流量計不(bú)同介質下的計量(liàng)特性，即儀表系數(shu)不能簡單等同，有(yǒu)必要對不同介質(zhì)下的渦街流量計(ji)儀表🌂系數進行對(dui)比研究。
2實驗方案(an)設計
　　本文通過對(duì)渦街流量計在蒸(zheng)汽、水、空氣三種介(jiè)質🥰下進行🈲實流标(biao)定實驗，對比分析(xi)不同介質下渦街(jiē)流量計計量特性(xìng)，即儀表系數的差(chà)異及影響因素🔞。本(ben)節對🏃🏻‍♂️實驗方案進(jìn)行詳細說明。
2.1實驗(yan)裝置
2.1.1蒸汽流量計(ji)量标準裝置
　　本文(wén)采用冷凝稱重法(fa)蒸汽流量計量标(biao)準裝置作爲蒸汽(qi)介質實驗裝置，該(gai)裝置位于國家蒸(zhēng)汽流量計量站，是(shi)🌂國内唯一采用蒸(zheng)汽實流标定的流(liu)量标‼️準裝置☂️。該裝(zhuāng)置精度等級爲0.1級(ji)，測量範圍爲(2.5~15000)kg/h，采用(yòng)過熱蒸汽爲檢定(dìng)介質🚶，過熱蒸汽經(jing)穩壓緩沖處理後(hòu)進人檢定管🔞線，通(tong)過被測渦街流量(liàng)計⭐後進人冷凝🔴器(qi)，冷凝水進人稱重(zhòng)容器進行稱重，完(wan)成對被測渦街流(liú)量計的蒸汽實流(liu)标定。
2.1.2空氣流量計(ji)量标準裝置
　　對于(yu)空氣介質，本文采(cai)用負壓法臨界流(liú)文丘裏噴嘴法氣(qì)體㊙️流量标準裝置(zhi)，裝置擴展不确定(dìng)度爲032%(k=2)，測✏️量範圍爲(wèi)(1~7000)m2/h。該裝置由真空🌈泵(beng)産生負壓，常溫空(kong)氣經過檢定😍管線(xian)流過被測渦街流(liu)💋量計，随後進入穩(wěn)壓☔容器并流經文(wen)丘裏🌈噴嘴，在噴嘴(zuǐ)喉部得到标準流(liú)量，完成對被測渦(wo)街流量計的空氣(qi)實🔞流标定。
2.1.3液體流(liú)量計量标準裝置(zhì)
　　對于水介質，本文(wén)采用靜态質量法(fa)水流量标準裝置(zhì)，裝置☀️擴展不确定(dìng)度爲0.05%(k=2)，測量範圍爲(wei)(0.2~680)m³/h。恒溫水池中的常(chang)🚩溫水介質♉經過檢(jiǎn)定管線流過被測(cè)渦街流量計，随後(hòu)進入稱重容器進(jìn)行稱重，完成對被(bei)測渦街流量計的(de)🤩水介質實流标定(dìng)。
2.2雷諾數相似準則(zé)
　　由流體力學可知(zhī)，通過試驗的方法(fǎ)解決流體流動過(guo)程中的規律性問(wen)題的理論基礎之(zhi)一是相似原理8。具(jù)體來講就是在㊙️對(dui)比分析兩個流動(dòng)現象時，必須使兩(liǎng)者之間保持力學(xue)相似關系，包括幾(jǐ)何相似、運動相似(sì)和動力相似。對于(yú)管道中的實際流(liú)動，流體介質主要(yao)受粘性力、壓力和(hé)慣性力☀️的作用，流(liu)體🌐力學上用雷諾(nuò)🔆數表征慣性力和(he)粘性力之比，因此(cǐ)🎯隻要在對應點滿(man)🌈足雷諾數相等即(jí)可保證兩個流場(chang)動力相似。截面爲(wei)⛷️圓的管道中的雷(léi)諾數Rep的計算公式(shi)爲:
 
式中:qv一管道内(nei)體積流量，m³/h;p一介質(zhì)密度，kg/m³;η-介質動力粘(zhān)度⛹🏻‍♀️，Pa.s;D-管🥰道直🤟徑，m。
　　因此(ci)，在進行對比不同(tong)介質下的渦街流(liú)量計儀表系數㊙️的(de)試♍驗時，不僅需要(yào)保證兩者幾何相(xiàng)似，同時需要保證(zheng)兩者💜動力相似，即(ji)雷諾數Rep相等。由公(gong)式(10)可以看出🎯，由于(yu)不同介質間的密(mi)度、粘度🐅等參數不(bú)同，在保證雷諾數(shù)相等的前提下，其(qí)體積流量也不同(tong)⛷️，所以簡單按照流(liú)量點相等的原則(ze)進♋行不同介質間(jian)的對比試驗是不(bu)可取的。
2.3實驗方案(àn)
2.3.1實驗用表
　　選用上(shang)海橫河電機有限(xiàn)公司生産的DY系列(liè)渦街流量計♻️共四(si)台，口徑分别爲DN50、DN100、DN150和(he)DN200，旋渦發生體形狀(zhuang)爲梯形，精度等級(jí)爲1.5級。
2.3.2實驗流量點(dian)
　　如22中所述，依據雷(léi)諾數相似準則确(que)定不同介質下👨‍❤️‍👨的(de)測試流量🐕點。首先(xiān)根據選用的渦街(jie)流量計的蒸汽介(jie)質測量範圍以🔴及(ji)蒸汽流量标準裝(zhuang)置的測試能力确(què)定蒸汽介質的測(cè)試流量點，由公式(shì)(10)得到對應流量點(diǎn)的蒸汽介質(壓力(lì)0.3MPa，溫🤞度150C的過熱蒸汽(qì))雷諾❤️數，再由雷諾(nuo)數相等原則，反推(tui)出空氣介質(壓力(lì)98kPa，溫度20℃的幹空氣)和(hé)水介質(壓力0398MPa，溫度(du)20℃的常溫水)的對應(ying)測試流量點，以DN50口(kǒu)❓徑渦街流量計爲(wei)例，流量點計算💋如(rú)表1所示，其餘口徑(jìng)💋同理。
 
2.3.3測試方案
　　對(dui)四種口徑的實驗(yàn)用渦街流量計依(yi)據JJG1029-2007《渦街流量計》規(guī)定的㊙️檢定要求進(jìn)行實驗。
　　爲保證不(bu)同介質流體進人(ren)渦街流量計的流(liu)場相似，從幾何相(xiàng)似出發，在實驗用(yong)渦街流量計前後(hou)配置直管段，管道(dao)材料爲304不鏽鋼，管(guan)道内徑匹配四台(tái)🔞渦街流🔴量計的實(shí)際内徑，DN50口徑管道(dao)壁厚爲3mm，DN100、DN150和DN200口徑管(guan)道壁厚爲6mm，前置管(guan)㊙️道長度爲對應口(kǒu)徑的5倍，後置🏃‍♀️管道(dào)長度爲對應口徑(jìng)的3倍(前5D後3D)。前後直(zhi)管段與渦🐇街流量(liang)計通👄過✌️法蘭連接(jie)、螺栓緊固，并且在(zai)整個實驗過程中(zhong)保持固定連接，下(xia)遊管道固定位置(zhì)處設有取壓孔，保(bao)證測試不同介質(zhi)時取壓位☁️置不變(bian)。
　　按照2.3.2中确定的6個(ge)測試流量點進行(háng)實驗，依據檢定🍉規(gui)程🐕，每個流量點的(de)實際測試流量與(yǔ)設定流量的偏差(cha)不超👄過設定流量(liang)的+5%。每個流量點測(cè)試3次，每次測試時(shí)間爲60秒，記錄該👨‍❤️‍👨流(liu)量點下的介質溫(wēn).度、壓力，得到檢定(dìng)儀表系數及其重(zhong)複性。爲了驗證裝(zhuāng)置的穩定性，保證(zheng)🔆實驗結果的可靠(kào)性，将實驗用表:重(zhòng)新⭐裝夾，重複以上(shang)實驗流程3次。
3實驗(yan)結果分析
　　按照2.3中(zhong)的實驗方案對四(si)台不同口徑的渦(wo)街流.量計💚在水、空(kong)㊙️氣、蒸汽三種介質(zhì)下進行儀表系數(shù)實流标定實驗，實(shí)驗結果如圖🧑🏽‍🤝‍🧑🏻2~5所示(shì)。
 
　　由圖2~5可以看出，三(san)種不同介質下渦(wō)街流量計的儀表(biǎo)系數并🈲不--緻，驗證(zhèng)了本文1節中的分(fèn)析，使用不可壓縮(suō)🔴流體介質(水介質(zhi))标定的儀表系數(shù)不可直接用于可(kě)壓縮流體介質(空(kong)氣和蒸汽)，須進行(háng)後續修正;由于水(shuǐ)介質的不可壓縮(suō)性，其标定儀表系(xì)數在整個雷諾數(shù)範圍内較爲穩定(dìng)，相比之🧑🏽‍🤝‍🧑🏻下空氣介(jie)質⛱️的标定系數在(zai)測試範圍内波動(dong)較大，随着雷諾數(shù)的增大，空🚩氣介質(zhi)的标定系數有一(yī)個先下降後上🙇‍♀️升(shēng)💞的波動趨勢，需要(yao)♻️說明的是，DN150口徑渦(wo)街⭐流量計的空氣(qi)介質标定系數在(zài)最大雷諾數測試(shi)點突然下降，與其(qi)他測試點結果偏(pian)差較大，對DN150渦街流(liú)量計測✨試數據進(jin)行🚶分析，發現其實(shí)🤟際内徑偏小爲1388mm，在(zai)最大雷諾數下其(qí)流速達到了⭐103m/s，遠超(chao)過🌏橫河渦街流量(liàng)計對空氣介質的(de)最大流速限制--一(yī)80m/s，從而導緻了該測(cè)試點的明顯異常(cháng);蒸🤟汽介質的實驗(yàn)結果與空氣🥰介質(zhi)的實驗結果趨勢(shì)類似，但由于蒸汽(qì)和空氣的可壓縮(suō)🙇‍♀️性不同(即可膨脹(zhàng)性系數不同)，因此(cǐ)兩者的标定系數(shù)對比🧑🏾‍🤝‍🧑🏼水介質的标(biao)定系數偏差不同(tóng)♌。
　　綜上，不同介質下(xià)渦街流量計的标(biāo)定儀表系數須進(jin)行♍修正後方可替(tì)代使用，需要考慮(lü)的修正因素包括(kuo)介質的可壓縮性(xìng)(可膨脹性系數)，而(ér)不同介質的可壓(yā)縮性不同，其影響(xiang)程度也不同，如空(kong)氣介質和蒸汽介(jiè)☎️質。此外，由于蒸汽(qì)爲高溫介質，需考(kao)慮溫🛀🏻度對渦街流(liú)量計機械結❄️構如(ru)殼體和發生體形(xíng)變的影響。經測試(shi)，選用的橫河渦街(jiē)流量計各部👌件材(cai)質及性質如表2和(he)🐉表3所示。
 
4結論
　　本文(wén)針對渦街流量計(jì)在不同介質下的(de)标定儀表✨系數進(jìn)行❄️了實驗，實驗結(jié)果表明，可壓縮介(jie)質與不🌈可壓.縮介(jie)質的标定㊙️儀表系(xi)數不同且不可直(zhi)接替🔱換，證明☀️了介(jiè)質可壓縮性對渦(wō)街流量計的計量(liàng)性能有影響🈲;高溫(wēn)介質通過改變渦(wō)街流量計機械結(jié)構的形狀影響其(qi)計量特性。表明了(le)介質可壓縮性和(he)渦街流量計幾何(he)尺寸(溫度影響)是(shi)影響渦街流量計(ji)計量特性的重要(yào)因🔞素，若想将👉一種(zhong)介質的标定🙇‍♀️結果(guo)應用到另一💘種介(jiè)質上，須進行修正(zheng)，以上兩種因素即(jí)可作爲修正因子(zǐ)。結果可作爲後續(xù)🍉不同介質标定結(jié)果間修正的實驗(yan)基礎。

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