摘要:一種(zhǒng)執行德國标準(zhun)DIN2501的進口氣體渦(wo)街流量計 安裝(zhuāng)在國标流量裝(zhuāng)置上進行标定(dìng)時，因兩者管道(dào)内徑尺寸㊙️存在(zai)差異，導緻常規(gui)方法下測壓位(wèi)置的選取對标(biāo)準裝🏃置體積流(liú)量值的計算正(zhèng)确率造成影響(xiǎng)，因而産生實驗(yan)誤差;本文對這(zhe)一現象進行分(fen)☎️析研究，并通過(guò)多組🌈實驗數據(jù)對比，驗證了系(xì)統誤差确實存(cun)在，但在常溫常(chang)壓以空氣作介(jiè)質的實驗🌈條件(jiàn)下，此誤差♊的影(yǐng)響量很小，一般(ban)可忽略不計，由(yóu)🏒此說明應✌️用常(cháng)規的實驗方法(fǎ)對該類進口渦(wo)街流量計進行(hang)标定也是🔞可行(hang)的。
0引言
　　渦街流(liu)量計 是通過卡(ka)門漩渦原理測(ce)量流體流量的(de)一種儀表，相比(bi)上👈世紀80年代使(shi)用較爲廣泛的(de)孔闆流量計，其(qí)具有結構簡單(dān)，壓力損失💞小，量(liang)程範圍寬，便于(yú)安裝等優點［1］。因(yīn)此，随着技術的(de)發展，渦街流✉️量(liang)計在工業計量(liang)上的使用逐漸(jiàn)成爲主流🏃‍♀️(以下(xia)簡稱流量計或(huo)📞儀表)。
1工作原理(lǐ)
　　流量計通過在(zai)流體中設置三(san)角柱型旋渦發(fa)生體，使流體産(chǎn)生卡門漩渦，在(zài)一定雷諾數範(fan)圍内，旋渦的釋(shì)放頻❄️率與流體(tǐ)平均流速、旋渦(wō)發生體特征寬(kuān)度有關，通過測(ce)量旋渦🌂頻率可(ke)以計算出流體(tǐ)的流速，再測得(dé)流量計管道截(jie)面積可換算得(de)體積流量♻️［1－2］。
2氣體(tǐ)流量标準裝置(zhi)
　　流量計在投入(rù)使用前進行量(liàng)值溯源是不可(ke)缺少的📱環🆚節，而(ér)在量值傳遞工(gōng)作的開展中，負(fu)壓法臨界🌈流文(wén)㊙️丘裏噴嘴氣體(ti)流量标準裝置(zhì)是一種十分典(dian)型常見❄️的流量(liàng)标準裝置，如圖(tu)💋1所示，它具備結(jié)構簡單、穩定性(xing)好、适用範圍廣(guǎng)等優點，其工作(zuo)原理是當氣體(tǐ)在噴嘴上下遊(yóu)的壓差達到一(yi)定值時将形成(chéng)🐪臨界流，此時流(liu)💋經噴嘴喉部的(de)氣體流速達到(dào)最大值，測量該(gai)狀态下流體的(de)溫度、靜壓、濕度(dù)，由密度換⭐算得(dé)流過噴嘴的氣(qì)🚶‍♀️體質量流量，根(gen)據連❤️續性原理(lǐ)，流場内各處質(zhi)量流量相等［3］。通(tong)過選用不同的(de)噴嘴組合使标(biāo)準流量可控，以(yǐ)滿足對流量計(ji)進行标定的實(shi)驗需求。
 
3執行标(biāo)準不同帶來的(de)管徑差異
　　以無(wú)縫鋼管爲例，由(you)于存在标準體(tǐ)系、尺寸的單位(wèi)制⁉️等差異🐪，再📧有(yǒu)加工誤差因素(su)，标稱通徑相同(tong)的兩段管道，它(tā)們的實際内徑(jing)尺寸也不盡然(rán)相等。如圖2所示(shì)，這款Prowirl72F系列🙇‍♀️的德(dé)國進口Endress+Hauser品牌流(liu)量計，參考說明(ming)書标示，如圖3所(suǒ)示，其🈲表體管道(dào)🚩生産工藝依據(jù)德标✨DIN2501标準，部分(fen)規格的流量計(jì)外形尺寸如表(biǎo)1所示，常見用于(yú)中低壓環境下(xià)的流量計内徑(jing)d普遍比标稱值(zhí)偏大約3%至7%。而在(zài)國内用于🔱标定(dìng)流量❤️計的标準(zhǔn)裝置爲保障通(tōng)用性需求，一般(ban)遵循我國現行(hang)的國家标☀️準設(shè)計，其中直管段(duan)部分選材依據(ju)GB/T17395－2008，各規格的♍管道(dao)通徑尺寸與标(biāo)稱值接近相等(deng)，在對上述🚶‍♀️德标(biāo)流量❄️計進行标(biāo)定🔅時，會出現因(yin)兩者管道内徑(jìng)存在一定差異(yi)的情況，将可能(néng)帶來☎️實驗誤差(chà)。  
 
4标定誤差來源(yuán)分析
　　渦街流量(liang)計本質上是一(yi)種速度式流量(liang)計，其直接測量(liang)的量🏃爲✊介質的(de)流速，考慮到由(yóu)于體積流量僅(jǐn)以介質流速及(jí)截面積确定，不(bú)受其他因素影(ying)響，因此，一般🚶以(yǐ)體積流量進行(háng)示值誤差或儀(yi)表系數的計算(suàn)依據。
　　在使用文(wen)丘裏噴嘴氣體(tǐ)流量标準裝置(zhi)對流量計進✌️行(háng)♻️标定時，根據連(lián)續性原理，達到(dào)臨界條件後，隻(zhi)要分别測🔞得被(bèi)檢流量計、噴嘴(zuǐ)兩處的氣體溫(wēn)度、靜壓、濕度，則(zé)可通過密度🌈關(guan)系計算被檢表(biao)處流量标準值(zhi)，即标準裝置示(shì)值，再讀取流量(liang)計示值即可計(jì)算示值誤差。但(dàn)如上文所示的(de)流量計一般無(wú)法直接測量其(qi)内部⛱️氣體狀态(tai)參數，而隻能在(zai)儀表上、下遊的(de)管道上進行開(kāi)孔測量作近似(si)估值，通過此方(fang)式所測流量标(biāo)準值實際爲測(ce)量孔截面處氣(qi)體流量。考慮到(dào)在實驗室條件(jiàn)下，氣體的溫度(du)、濕度基本恒定(dìng)，而在不同的位(wei)置測量的靜壓(ya)值則有較大差(cha)異，因此，測壓位(wei)置的選取對體(tǐ)積流量标準值(zhi)的計算正确率(lü)起重要影響。根(gēn)據　　JJG1029－2007《渦街流量計(jì)檢定規程》，一般(ban)于儀✌️表下遊段(duan)2至7倍内徑距♍離(li)的範圍内都可(ke)認爲是合理的(de)測壓位置，所測(ce)靜壓與儀表内(nei)部實際值近似(si)視作相等［4－5］，但當(dang)被檢儀表爲上(shang)文所述E+H流量計(jì)時，由于⛹🏻‍♀️其表體(ti)管道内徑稍大(da)于标💚準裝置管(guǎn)道，則儀表與直(zhí)管段間連接處(chù)将出現突變轉(zhuan)折截面，如圖4所(suo)示，當氣體流經(jīng)轉折面時，将産(chan)生一🔴定壓力損(sǔn)失，此時下遊段(duan)測壓處所測得(de)氣體靜壓理論(lùn)上比儀表内部(bù)實際🆚值小，導緻(zhi)計算所得标準(zhǔn)體積流量比儀(yi)表處實際值大(da)，且流量越大該(gai)過程的壓能損(sǔn)失越多，下遊測(ce)壓計算所得标(biāo)準值越偏離真(zhen)值，這種誤差可(ke)認爲是實驗方(fāng)法引起的系統(tǒng)誤差［6］。
 
4.1機(jī)械能損失分析(xī)
　　因流量計傳感(gǎn)器組成部分前(qián)後均有一定長(zhǎng)度表體直✏️管段(duan)且與标準裝置(zhi)管道間内徑差(chà)異較小，流場擾(rǎo)☎️動基本被儀表(biao)本身抗幹擾能(néng)力克服，可認爲(wèi)流量計計量性(xing)㊙️能不受影響，則(zé)隻需考慮氣體(ti)靜壓💰測量值的(de)正确率。從🈲能量(liang)損失✨角度分析(xī):如圖5所示🏃🏻‍♂️，由于(yu)流線不🈲能轉折(she)，流體🏃‍♀️在流經突(tū)然🚩收縮斷面時(shí)📱，将形成流股收(shōu)縮，至c－c斷面後逐(zhú)🌏漸擴散，在此過(guo)程中，流體先有(you)加速的收縮流(liu)後減速的擴散(san)流兩者都産生(shēng)阻力［7］。爲簡化分(fèn)析此過程中的(de)能🏃‍♂️量損失，設流(liú)體爲不可壓縮(suō)流體，設c－c斷面處(chù)的理想平均流(liu)速爲v0，根據伯努(nǔ)利方程:
 
　　式中，α1爲(wei)動能修正系數(shù)，無量綱;v1爲斷面(miàn)1－1處流體平均流(liu)速⭐，m/s;P1爲斷面1－1處流(liú)體靜壓，N/m2;α0爲動能(néng)修正系數，無量(liang)綱;v0爲斷面c－c處流(liu)體理想平均流(liu)速，m/s;PC爲斷面c－c處流(liú)體靜壓，N/m2;ρ爲流體(tǐ)密度，kg/m3;g爲重力加(jia)速度，N/kg或m/s2。
　　實際上(shàng)從1－1斷面至c－c斷面(mian)間存在一定能(neng)量損失，假設爲(wèi)❄️U1，再者☀️c－c斷面的實(shi)際平均流速νC要(yào)比v0稍小一些，它(ta)們的比值νC/v0=Cν，稱爲(wei)流🌈速系🏃🏻數，一🈲般(ban)約爲0.99～0.97［7］，基于本文(wén)所讨論情況，該(gai)斷面收縮較小(xiǎo)，取Cν=0.99計算，且在紊(wěn)💋流狀态下α1=α0=1，即:
 
 
　　由(yóu)于在标定實驗(yan)中，流體介質一(yī)般爲空氣，而空(kōng)氣是一種可壓(yā)♍縮流體，考慮到(dào)在重力場中，可(kě)壓縮性流體的(de)勢能與壓力能(neng)、動能比較起來(lai)是小得可以忽(hū)略不計的［7－8］，即伯(bó)努利方程可簡(jiǎn)化爲以下形式(shì):
 
　　其中C爲常數，且(qiě)氣體在流量計(jì)内(斷面1－1處)流至(zhì)測壓處⛹🏻‍♀️(斷💔面2－2)的(de)過程中可近似(si)地看作等熵過(guo)程，因此，有P1/ρk1=P2/ρk2，ρ1=P1/P2()1/kρ2，對于(yu)空氣的等熵指(zhi)數k≈1.4，由🆚于在此過(guò)程中單位質量(liang)流體的能量損(sun)失U很小，爲簡化(huà)分析直接用ρ2計(jì)算其❄️機械能損(sun)失，則方程可寫(xiě)爲：
 
　　式中，P1爲流量(liang)計内(斷面1－1處)空(kōng)氣靜壓，N/m2;ρ1爲流量(liàng)計内(斷⭐面✍️1－1處)空(kong)氣密度，kg/m3;v1爲流量(liang)計内(斷面1－1處)空(kong)氣平均流速💁，m/s;P2爲(wèi)測壓點🧡(斷面2－2處(chù))空氣靜壓，N/m2;ρ2爲測(cè)壓點(斷面2－2處)空(kong)氣密度，kg/m3;v2爲流量(liàng)計内(斷面2－2處)空(kong)氣平均流速，m/s。
　　由(you)于在标定實驗(yan)中，空氣的質量(liang)流量Qm可通過文(wén)丘裏🏃🏻噴嘴測量(liàng)換算得到，設斷(duan)面1－1處、斷面2－2處管(guan)道面積爲S1、S2，則💁空(kong)氣在兩處的流(liu)速分别爲:
 
　　式中(zhōng)，Qm爲空氣的質量(liàng)流量，kg/s;S1爲斷面1－1管(guǎn)道截面積，m2;S2爲斷(duan)⭐面🍓2－2管道🏃🏻截面積(jī)，m2。
　　經過變換得到(dao)一個一元方程(cheng)，僅有ρ1爲未知量(liang)，各項參數均能(néng)在♈實驗中直接(jie)測量或換算所(suo)得，通過使用軟(ruǎn)件工具如💋MATLAB、Excel或其(qi)他方式解出ρ1，則(ze)P1=P2ρk1/ρk2，流量計内體積(ji)流量的理論值(zhi)⛱️QV爲:
 
式中，QV爲空氣(qì)的體積流量，m3/s。
5實(shí)驗數據比較
　　通(tong)過使用文丘裏(lǐ)噴嘴氣體流量(liang)标準裝置對三(san)個不同規✉️格的(de)♊E+H渦街流量計進(jin)行标定，由标準(zhǔn)器測量及密度(dù)換算得Qm、P2、ρ2，使用遊(you)标卡尺分别測(cè)量流量計與裝(zhuāng)置管道内徑A1、A2，并(bìng)計算兩者通徑(jing)截面積S1、S2、收縮系(xi)數Cc、測壓處截面(mian)參考流速v2、單位(wei)質量流體的能(néng)量損失⛹🏻‍♀️U，利用MATLAB軟(ruan)件中的solve函數求(qiú)解式(14)，得流量計(jì)内氣體的理‼️論(lùn)密度ρ1，理論靜壓(yā)P1，根據式(15)得理論(lùn)體積流量QV，計算(suan)其與标準裝置(zhì)體積流量示㊙️值(zhí)的相對誤差。表(biǎo)1～3爲三種規格流(liu)量計的實驗🐅數(shu)據
 
　　根據實驗數(shù)據，流量計體積(ji)流量示值與計(jì)算所得理論實(shi)際值雖然不相(xiàng)等，但從相對标(biao)準裝置示值的(de)誤差線性關系(xì)來看，兩者所呈(chéng)現的誤差均随(sui)着流速的增加(jiā)而往負方向增(zeng)長🐇，如圖6、圖7所示(shì)。從這個角度來(lai)看，符合“因過程(chéng)存在壓能損失(shī)導緻下遊測壓(ya)所得靜壓值偏(pian)小，流量❤️裝置換(huàn)算出的标準體(tǐ)積流量示值偏(pian)大”這一分析。
 
 
6結(jie)論
　　對這類内徑(jìng)偏大的渦街流(liú)量計采用下遊(you)測壓的👨‍❤️‍👨常規方(fang)法進行标定時(shí)，标準裝置的體(tǐ)積流量示值實(shí)存在一定誤⭕差(cha)，但計算數據也(yě)表明，在常溫常(chang)壓、使用空氣作(zuo)介質的條件下(xià)，即使在流速較(jiao)高時，由該方法(fa)引⛷️入的系統誤(wù)差也很小，僅爲(wèi)0.1%左右，對于絕大(dà)多數精度等級(ji)爲1.0甚至更低或(huo)使用場合無極(jí)高精度要求的(de)流量計，一般可(ke)忽略此誤差，參(cān)照🌈檢定🐅規程要(yao)求在流量計下(xia)遊⚽段測壓的标(biao)定方法是可行(háng)的。當然，若是利(li)用蒸汽或其他(ta)密度較大、流速(sù)更高的介質進(jìn)行标定時，該系(xì)統誤差也會随(sui)之增大，建議盡(jin)量采用表體取(qǔ)壓或制作匹配(pei)檢測管線的♌方(fāng)法進行實驗。

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