摘要:利用(yòng)正壓法音速(su)噴嘴氣體流(liu)量标準裝置(zhi),通😘過調節試(shì)驗管道中介(jie)質的工作壓(yā)力(0.23~0.5MPa)來改變介(jie)質密度,分别(bié)在空🔴氣密度(du)爲🔴2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3、5.987kg/m3四種情況(kuang)下對50mm口徑氣(qi)體渦街流量(liang)計 的流量特(te)性(儀表系數(shù)、線性度、不确(que)定度.流量下(xià)限)進行💘了大(dà)量試驗研究(jiū)。試驗結果表(biǎo)明,不同密度(dù)下 渦街流量(liang)計 儀表系數(shu)的最大相對(duì)誤差0.405%,驗證了(le)渦街流量計(ji)儀表系數幾(ji)乎不受流體(ti)密度變化的(de)影響;并發現(xiàn)渦街流量計(ji)的流量下🔴限(xian)随着介質密(mì)度的增大而(er)向🔴下延伸,對(dui)此現象進行(háng)了分析。
1引言(yán)
　　渦街流量計(jì)是一種利用(yong)流體振動原(yuan)理來進行流(liú)♈量測量🆚的振(zhen)動式流量計(jì),廣泛應用于(yú)測量和工業(ye)🤞過程控制領(lǐng)域中。但曆史(shǐ)較短,理論基(ji)礎和實踐經(jing)驗不足,還有(you)許多工作需(xū)要探索、充實(shí)1.21渦街流量計(jì)最基本的流(liu)量方程🥰經常(cháng)引用卡曼渦(wō)街理論，進而(ér)🔞得出渦街流(liú)量計旋渦分(fen)離的頻率僅(jin)與.流體工作(zuò)狀态下的體(ti)積流量成正(zheng)比,而對被測(cè)流體溫度、壓(ya)力、密度、粘度(du)和組分變化(huà)不敏感的特(te)點。實際應用(yong)中,現場工作(zuo)條件的變化(huà)到底會對渦(wō)街流量計測(ce)量帶來多㊙️大(da)的附加誤差(chà)尚不👄明确。SophieGoujon-Durand研(yán)究了流體粘(zhan)度對渦街流(liu)量計線性度(dù)的影響,繪出(chu)不♉同粘度對(duì)渦街線性度(dù)的校正曲線(xian)[4]”。通過氣體不(bu)同工作壓力(li)🤩下的☀️試驗驗(yan)證了渦街流(liú)量計🌂不随介(jie)質密度變化(hua)♌的結論，但是(shi)并未給出具(jù)體試驗數據(jù)。本文采用試(shì)驗方法,利用(yòng)正壓法音速(su)噴嘴氣體流(liú)量标準裝置(zhi),在不同介質(zhì)密度下💃🏻對渦(wō)街流量計的(de)流量特性進(jìn)行對比研究(jiu)，得到儀表系(xì)數和流量下(xia)限随密度變(bian)化曲線和趨(qu)勢,并對試驗(yàn)💯結果進行分(fen)析解釋。
2渦街(jie)流量計工作(zuo)原理
　　如圖1所(suo)示，管道中垂(chuí)直插人一梯(tī)形柱狀旋渦(wō).發生體,随着(zhe)流體流動,當(dāng)管道雷諾數(shu)達到一定值(zhí)時,在旋渦發(fā)生體兩側會(hui)交替地産生(shēng)有規則的旋(xuan)渦,這種旋渦(wō)稱爲卡曼渦(wo)街🔞。

設旋渦(wo)發生頻率爲(wei)，f,旋渦發生體(tǐ)迎流面寬度(dù)爲d,表體通徑(jing)爲D,根據卡曼(màn)渦街原理，可(kě)知:

　　式中:U1爲旋(xuán)渦發生體兩(liang)側平均流速(sù);U爲被測介質(zhì)來😍流的平均(jun1)流速;Sr爲斯特(tè)勞哈爾數,對(dui)一定形狀的(de)旋渦發生體(tǐ)在一定雷諾(nuò)數範圍内爲(wei)常數;m爲旋渦(wo)發生體兩🌈側(ce)弓形面積與(yu)管道橫截面(mian)面積之比。
　　流(liu)體在産生旋(xuán)渦的同時還(hái)受到一個垂(chui)直方向上力(lì)的作♊用⁉️,根據(ju)湯姆生定律(lǜ)和庫塔一-儒(rú)可夫斯基升(sheng)力定理,設作(zuo)💁用在旋渦💘發(fa)生體每單位(wèi)長度上的📐升(shēng)力爲FL有:

式中(zhong):cL爲升力系數(shu);ρ爲流體密度(du)。
　　由于交替地(dì)作用在發生(sheng)體.上升力的(de)頻率就是旋(xuan)渦的📞脫落頻(pin)率,通過壓電(diàn)探頭對FL變化(hua)頻率的檢測(ce)，即可得到?再(zài)由式(1)可得體(ti)積流量qv:

式中(zhōng):K爲渦街流量(liang)計的儀表系(xì)數。
　　從式(3)、(4)可以(yǐ)看出,對于确(que)定的D和d,流體(tǐ)的體積流量(liang)qv與旋渦頻率(lǜ)?成正比,而?隻(zhi)與流速U和旋(xuán)渦發生體的(de)幾何參數有(yǒu)關,且與被測(cè)流體的物性(xing)和組分無關(guan)，因此可以得(de)出渦街流量(liang)計不受流體(tǐ)溫度、壓力、密(mì)度、粘度、組分(fèn)因素的影響(xiang)。本文研究在(zai)複雜的現場(chang)環境下,工作(zuo)壓力的增加(jia)、介質密度的(de)變化對渦街(jie)流量計測量(liang)産生的影響(xiǎng)。
3試驗裝置
3.1音(yīn)速噴嘴工作(zuo)原理
　　文丘利(li)噴嘴是個孔(kong)徑逐漸減小(xiao)的流道,孔徑(jing)最小的✏️部分(fèn)稱爲噴嘴的(de)喉部,喉部的(de)後面有孔徑(jing)逐漸擴大的(de)流💚道。當氣體(ti)⭐通過噴嘴時(shí),喉部的氣體(tǐ)流速将随着(zhe)節流壓❤️力比(bi)減小而增大(dà)。當節流壓力(li)比小到一定(ding)值時,喉部流(liu)速達到最大(dà)流速一音速(su)。此時若再減(jian)小節流壓力(lì)比,流✉️速(流量(liang))将保持音速(su)不變,不再受(shòu)下遊壓力的(de)影響，而隻與(yǔ)噴嘴人口處(chù)的滞止壓力(li)和溫度有關(guān),此時👅的噴嘴(zuǐ)稱💯爲音速噴(pen)嘴,流‼️量方程(chéng)式爲:

　　式中:qm爲(wei)流過噴嘴的(de)質量流量;A.爲(wei)音速噴嘴喉(hóu)部面積;C爲🔞流(liu)出系數;C.爲臨(lín)界流函數;P。爲(wei)音速噴嘴人(ren)口處滞止絕(jue)對壓力;T。爲音(yīn)速噴嘴人口(kou)處滞止絕對(dui)溫度;R爲通用(yong)氣體常數;M爲(wèi)氣體千摩爾(er)質量。
　　從式(5)可(ke)以看出,一.種(zhong)喉徑的噴嘴(zui)隻有一一個(ge)臨界流💃🏻量值(zhí),噴嘴🌈人口的(de)滯止壓力和(he)滞止溫度不(bu)變時🈲,通過噴(pēn)嘴的流量也(ye)🔴不變,正是由(yóu)于此特性使(shǐ)音速噴.嘴作(zuò)爲标準㊙️件廣(guǎng)泛🎯應用于氣(qi)體流✌️量标準(zhǔn)裝置中。
3.2音速(sù)噴嘴氣體流(liú)量标準裝置(zhi)
　　音速噴嘴氣(qi)體流量标準(zhun)裝置按照氣(qì)源壓力不同(tong)分爲🏒正壓法(fǎ)🈲和負壓法兩(liang)種。
　　正壓法裝(zhuang)置通過改變(bian)噴嘴人口的(de)滞止壓力改(gai)變🔞流過噴嘴(zuǐ)的氣體流量(liang),用較少的噴(pēn)嘴實現較寬(kuan)的流量範圍(wéi),而且較高而(er)可變的氣源(yuán)壓力可以使(shǐ)其工作在✨正(zhèng)壓(絕壓0.2MPa以上(shang))狀态下,從而(er)氣體密度高(gāo)于常壓裝置(zhì),具有不同密(mi)度(壓力)點上(shàng)的試驗能力(lì),可用于研究(jiu)氣體密度變(bian)化對于流量(liàng)儀表性能的(de)影😍響。
　　本文試(shi)驗裝置采用(yong)正壓法,工作(zuò)流量範圍爲(wei)工況2.5~666m3/h,工作壓(ya)力範圍爲表(biao)壓0.1~0.5MPa,裝置結構(gòu)圖如圖2所示(shi)。工作🚶‍♀️原理🏃🏻‍♂️是(shì):首先由空壓(ya)機将大氣中(zhong)的空氣送人(ren)管道，經冷幹(gàn)機除去水氣(qi)後打人高壓(ya)儲氣罐中,待(dai)儲氣😘罐壓力(li)升高到-定值(zhi)之後,調節穩(wěn)壓閥使🚶其下(xia)遊管道壓力(lì)穩定🔆在合适(shi)值,經穩壓閥(fa)調節💋後進入(ru)試驗管道的(de)高壓氣❌體先(xiān)後流經渦街(jie)流量計、滯止(zhi)💋容器、音速噴(pēn)嘴組、彙氣🔞管(guan)、消音器後,最(zui)終🔅通向大氣(qi)。其中，音速噴(pen)嘴組由安裝(zhuāng)在滞止容器(qì)下遊🔞的⭐11個不(bú)同喉徑音速(su)噴⭐嘴并聯而(er)成,通過控制(zhi)音速噴嘴下(xià)遊的開關閥(fá)門,可以任意(yi)選擇💔音速噴(pen)嘴的組合方(fāng)式，以📞達到改(gai)變被測儀表(biǎo)流量的目的(de)。通過對滞止(zhi)容器上溫度(du)變送器T、壓力(li)變送器P,信号(hao)采集,代人公(gong)式(5)便可得到(dao)通過音速噴(pēn)嘴的質量流(liu)🙇🏻量,亦🚩即流過(guò)渦街流量計(ji)處的質量流(liu)量。通過測量(liang)渦街流量計(jì)處的溫度T和(hé)壓力P,可以計(ji)算出工作狀(zhuang)态下空氣密(mì)度,進🔆而得📧到(dào)實際💁體積流(liú)量。再根據相(xiàng)同時間間隔(ge)内渦♉街流量(liàng)計輸出脈沖(chong)的檢測，可最(zuì)終實現對渦(wo)街流量計儀(yi)表系數等流(liu)量特性的研(yan)究。
上述全部(bù)工作過程均(jun1)由計算機系(xi)統實時控制(zhì)和處理。經過(guò)分析和測試(shì)，試驗裝置精(jing)确度爲0.5級。

4流(liú)量特性試驗(yan)研究
4.1試驗方(fāng)案
在正壓法(fa)音速噴嘴氣(qi)體流量标準(zhun)裝置，上,通過(guo)調節滞止壓(ya)力來改變介(jie)質密度,在4個(gè)不同介質密(mì)度條件下,分(fèn)别對🐪50mm口徑渦(wō)街流量計進(jìn)行大量的試(shì)驗。通過數據(ju)分析,主要從(cóng)兩方面考察(chá)介質密度變(bian)化對渦街流(liu)量計流量特(tè)性的影❄️響:
(1)考(kao)察渦街流量(liàng)計儀表系數(shù)受密度變化(hua)影響程度,驗(yàn)證卡曼渦街(jie)理論;
(2)考察渦(wō)街流量計測(cè)量下限随密(mì)度改變的變(bian)化趨勢🎯,從理(li)論角度給予(yǔ)解釋。
4.2試驗數(shu)據及分析
爲(wei)了保證音速(sù)噴嘴在喉部(bù)達到音速,并(bing)結合穩壓閥(fa)的調壓🏃🏻‍♂️範圍(wei)，試驗選擇在(zài)表壓0.13MPa、0.2MPa.0.3MPa、0.4MPa下進行(háng),對應空氣介(jie)質密度分别(bié)爲2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3.5.987kg/m3。由于高壓(yā)儲氣罐的容(rong)量有限(12m'),爲避(bì)免當流量大(da)時管道内壓(yā)力🈲下降迅速(sù)，試驗最大流(liú)量點選擇在(zài)176m3/h(對應流速爲(wei)25m/s);最✔️小流量點(dian)即流量下🈲限(xiàn)正是本文要(yao)研究的流量(liang)特性之一，由(yóu)試驗結果而(er)定。試驗嚴格(ge)按照國家計(jì)量檢定規程(cheng)進行,在每🏃‍♂️個(ge)介質密度下(xià)整👈個流量範(fàn)圍内壓力變(biàn)化不超過1kPa,在(zài)每個流量點(dian)的每一次檢(jian)定過程中，壓(yā)縮空氣溫度(dù)變化不超過(guò)0.5℃。
根據試驗得(de)到的數據,可(kě)繪制出如圖(tu)3不同空氣密(mì)度🧑🏾‍🤝‍🧑🏼下渦街儀(yí)💰表系數随流(liú)量變化曲線(xiàn)，并得到渦街(jiē)流量計的流(liú)量特性🏃‍♂️見表(biao)1。

從圖3和表1可(ke)總結出以下(xià)幾點結論:
(1)不(bú)同密度下渦(wo)街各點儀表(biao)系數随流量(liàng)變化曲線K-q,具(ju)有很好的相(xiang)似性。小流量(liang)下K值波動較(jiào)大,在流量點(diǎn)22m3/h處達到峰值(zhí),之後K值趨于(yú)常數且随着(zhe)密度的增大(dà)穩定性愈好(hǎo),這是因爲,影(yǐng)響渦街儀表(biǎo)系數的斯特(te)勞哈爾🔞數Sr是(shi)雷諾數Re的函(han)數🐇,而Re的定義(yi)✌️爲:

式中:μ爲動(dong)力粘度。在流(liu)速U相同情況(kuàng)下,ρ變大時Re也(ye)相應變大,根(gen)據Sr-Re曲線'),Sr将更(geng)加趨于平坦(tǎn),故K值随着介(jiè)質密度的增(zeng)大穩👈定性愈(yu)好。
(2)随着介質(zhì)密度的增大(da),渦街流量計(jì)儀表系數變(bian)化很小,最🏃🏻‍♂️大(dà)相💜對誤差爲(wei):

因而驗證了(le)卡曼渦街理(lǐ)論得出的渦(wo)街流量計幾(ji)🌐乎不受流體(ti)密度變化影(yǐng)響的特點,非(fei)常适合于氣(qi)體流量測🏃🏻‍♂️量(liàng)。
(3)随着介質密(mi)度的增大,渦(wō)街流量計不(bu)确定度和線(xiàn)🌍性度基本♈不(bú)變,渦街流量(liang)計準确度爲(wèi)1.5級,且不受流(liu)體密度變化(hua)影🌂響。
(4)随着介(jie)質密度的增(zeng)大,渦街流量(liàng)計流量下限(xian)降低,量程擴(kuò)㊙️大。這👌是因爲(wei),由公式(2)可知(zhi),作用在旋渦(wō)發生體上的(de)升力FL與被測(ce)流體的密度(du)ρ和流速U平方(fāng)成正比。當壓(yā)縮空氣密度(dù)ρ升高時,在保(bao)證渦街流量(liang)計的檢測靈(ling)敏✍️度(即升力(lì)♈FL)不變的情況(kuàng)下,測量🔅流速(su)U會相應降低(dī),那麽✉️渦街流(liu)量計的流量(liàng)下限q.mi也會相(xiang)應降🔅低，上述(shù)過程👅可表示(shì)爲下式:


5結論(lùn)
(1)随着介質密(mì)度的增大,渦(wo)街流量計儀(yi)表系數變化(hua)很小,最大相(xiang)對誤差僅爲(wei)0.405%,驗證了渦街(jiē)流量計幾乎(hū)不受流體密(mì)度變化的影(yǐng)響。
(2)随着介質(zhì)密度的增大(da),渦街流量計(ji)流量下限降(jiang)低,量程擴大(dà),根🥰據作用在(zài)旋渦發生體(tǐ)上的升力公(gong)式👉對此現象(xiàng)進行了理🔅論(lun)分析。

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