摘要:利用正(zheng)壓法音速噴嘴氣(qì)體流量标準裝置(zhi),通💃🏻過調節試驗♌管(guan)道中介質的工作(zuo)壓力(0.23~0.5MPa)來改變介質(zhi)密度,分别在空氣(qi)密☂️度爲2.774kg/m³、3.619kg/m³、4.782kg/m³、5.987kg/m³四種情況(kuàng)下對50mm口徑氣體渦(wō)街流量計
的流量(liang)特性(儀表系數、線(xian)性度、不确定度.流(liú)量下限)進行了🌈大(dà)量試驗研究。試驗(yàn)結果表明,不同密(mì)度下‼️渦街🧡流量📱計(ji)儀🐇表系數的最大(dà)相對誤差爲0.405%，驗證(zhèng)了🌈渦街流量計儀(yi)表系數幾乎不🈲受(shòu)流體⭕密度變化的(de)影響;并發現渦街(jie)流量計的流量下(xià)限随着介質密度(dù)的增大而向下延(yán)伸,對此現象進行(háng)🔆了分析。
1引言
氣體(ti)渦街流量計是一(yi)種利用流體振動(dòng)原理來進行流.量(liang)🌂測量的振動式流(liú)量計,廣泛應用于(yu)測量和工業過程(chéng)⭐控制領域中。但🐇曆(li)史較短,理論基礎(chǔ)和實✊踐經驗不足(zú),還💋有許多工作需(xū)要探索、充實.
渦街(jiē)流量計流量方程(chéng)經常引用卡曼渦(wō)街理論,進而得出(chū)渦街流量計旋渦(wō)分離的頻率僅與(yu)流體工作狀态下(xià)的體積流量成正(zheng)比，而對被測流體(tǐ)溫度、壓力、密度、粘(zhan)度和組分⛷️變化不(bu)敏感的特點田實(shi)際應用中,現場工(gong)作條件的變化到(dào)底會對渦街流量(liang)計測量帶來多大(da)的附加誤差尚不(bú)明确。SophieGoujon-Durand研究了流📐體(tǐ)粘度對渦🏃🏻街流量(liàng)計線性度的影響(xiǎng),繪出不同粘度對(duì)渦街🏃♀️線性度的校(xiào)正曲線。中提到通(tong)過氣體不同工作(zuò)壓力下的試♈驗驗(yan)證了渦街流量計(jì)不随介質密度變(bian)化的結論,但是并(bìng)未給出具體試驗(yan)數據。本文采用試(shi)驗方法,利用正壓(ya)法音速噴嘴氣體(tǐ)流量标準裝置,在(zai)不同介質密度下(xia)對渦街流量計的(de)流量特性進行對(dui)比研究,得到儀💛表(biao)系數和流量下限(xiàn)随密度變化曲線(xiàn)和趨勢,并對試驗(yan)🐅結果進行分析解(jie)釋。
2渦街流量計工(gōng)作原理
如圖1所示(shi),管道中垂直插人(ren)一梯形柱狀旋渦(wo)發生體㊙️,随💃🏻着流體(tǐ)流動,當管道雷諾(nuo)數達到一定值時(shi),在旋渦發生體兩(liang)側會交替🥰地産生(sheng)有規則的旋渦，這(zhè)種旋渦稱爲卡曼(màn)渦街🏃🏻♂️。
式中:U1爲旋渦(wō)發生體兩側平均(jun1)流速;U爲被測介質(zhi)來流✏️的平㊙️均流速(su);Sr爲斯特勞哈爾數(shu),對一定形狀的旋(xuán)渦發生體在一定(ding)雷諾數範圍内爲(wèi)常數;m爲.旋渦發生(sheng)體兩💋側弓形面積(ji)與管道橫截面面(miàn)🐕積之比。
流體在産(chǎn)生旋渦的同時還(hai)受到一個垂直方(fang)向上.力的作用,根(gēn)據湯姆生定律和(he)庫塔一儒可夫斯(sī)基升力🈲定理,設作(zuo)用在旋渦發生體(ti)每單位長度上的(de)升力爲Fl,有:
式中:CL爲(wei)升力系數;ρ爲流體(ti)密度。
由于交替地(di)作用在發生體上(shàng)升力的頻率就是(shi)旋渦的脫落頻💞率(lǜ),通過壓電探頭對(duì)FL變化頻率的檢測(ce)㊙️,即可🙇🏻得到ƒ,再由🥵式(shi)(1)可⚽得體積流量qv;
式(shi)中:K爲渦街流量計(ji)的儀表系數。
從式(shi)(3)、(4)可以看出,對于确(què)定的D和d,流體的體(tǐ)積流量qv與☔旋渦頻(pin)率🏒ƒ成♈正比,而ƒ隻與(yu)流速U和旋渦發生(shēng)體的幾何參🚶♀️數有(you)關,且與被測流🏃🏻體(tǐ)的物性和組分無(wú)關，因此可以得出(chū)渦街流量計不受(shou)流體溫度、壓力、密(mi)度、粘度、組分因素(sù)的影響。本文研究(jiū)在複雜⭐的現場環(huan)境下,工作壓力的(de)增加、介質密度的(de)變化對渦街流量(liàng)計測量産生的影(ying)響。
3試驗裝置
3.1音速(sù)噴嘴工作原理
文(wen)丘利噴嘴是個孔(kǒng)徑逐漸減小的流(liu)道,孔徑最小的部(bù)分稱爲💯噴嘴的喉(hou)部,喉部的後面有(yǒu)孔徑逐漸擴大的(de)流道。當氣體通過(guò)噴嘴時,喉部的氣(qi)體流速将随着節(jie)流壓力比減小而(er)增大。當節🐪流壓力(li)比小到-.定值時，喉(hou)部流速達到最大(dà)❗流速一音速。此時(shi)若🌏再減小節流壓(ya)力比,流速(流量)将(jiāng)保持♈音速不變，不(bú)再受下遊壓力的(de)影響,而隻與㊙️噴嘴(zui)入口處的滞止壓(yā)力和溫度有關,此(ci)時的噴嘴稱爲音(yin)速噴嘴,流量🔅方程(cheng)式爲:
式中:qm爲流過(guò)噴嘴的質量流量(liang);An爲音速噴嘴喉部(bù)面積;C爲流出系數(shù);C.爲臨界流函數;P0爲(wèi)音速噴嘴人口處(chù)滞止絕對壓力;T0爲(wèi)音速噴嘴人口處(chu)滞止絕對溫度;R爲(wei)通用氣體常🍓數;M爲(wei)氣體千摩爾質量(liàng)。
從式(5)可以看出,一(yi)種喉徑的噴嘴隻(zhī)有一個臨界流量(liang)值📧，噴🌍嘴入口的滯(zhì)止壓力和滞止溫(wen)度不變時,通過噴(pēn)👌嘴的流量也不🌈變(biàn),正是由于此特性(xìng)使音速噴嘴作爲(wèi)标準件廣泛應用(yòng)于氣體流量标準(zhǔn)裝置中😍。
3.2音速噴嘴(zui)氣體流量标準裝(zhuāng)置
音速噴嘴氣體(ti)流量标準裝置按(an)照氣源壓力不同(tóng)分⛷️爲正壓法和負(fù)壓法兩種。
正壓法(fa)裝置通過改變噴(pen)嘴人口的滞止壓(ya)力改變流過噴嘴(zui)✌️的♈氣體流量,用較(jiao)少的噴嘴實現較(jiào)寬的流量🔴範圍,而(ér)且較高而可變的(de)氣源壓力可以使(shi)其工作在正壓(絕(jué)🙇♀️壓0.2MPa以上)狀态下,從(cóng)而氣🚶體密度高于(yu)常壓裝置,具有不(bu)同密度(壓力)點上(shàng)的試驗能力,可用(yong)于研究氣🐆體密度(du)變化對于流量儀(yi)表性能的影響。
本(ben)文試驗裝置采用(yòng)正壓法,工作流量(liàng)範圍爲工況2.5~666m³/h,工作(zuo)壓力範圍爲表壓(yā)0.1~0.5MPa,裝置結構圖如圖(tú)2所示。工作原理是(shì):首先由空壓機将(jiāng)大氣中的空氣送(song)人管道，經冷幹機(jī)除去✊水氣後🤟打人(ren)高壓儲氣罐中,待(dai)儲氣罐壓力升🥵高(gāo)到-定值之後,調節(jie)穩壓閥使其下遊(you)管道壓力穩定在(zài)合适值,經穩壓閥(fa)調節後進人試驗(yan)😄管道的高壓氣體(tǐ)先後流經渦街流(liu)量計、滞止容器、音(yīn)速噴嘴🆚組、彙氣管(guan)、消音器後,最終通(tong)向大氣。其中，音🤩速(su)噴嘴組由安裝🐪在(zai)滞止容器下遊的(de)⁉️11個不同喉徑音速(sù)噴👈嘴并聯而成,通(tong)過控制音速噴嘴(zui)下🌈遊的開關閥門(mén),可以任⛷️意選擇音(yin)速噴嘴的組合方(fang)式,以⚽達到改變被(bèi)測儀表流量的目(mu)的。通過對滞止容(róng)器上溫度變送器(qi)T、壓力變送器P1信号(hào)🌍采集,代人公式(5)便(biàn)🌈可得到通過音速(sù)噴嘴的質量流🌍量(liang),亦即流過渦街流(liu)量計處的質量流(liú)量。通過測量渦🍓街(jie)流量計處的溫度(du)T和壓力P,可以計算(suàn)出工作狀态下空(kōng)氣密度,進而得到(dao)實際體積流量。再(zài)根據相同時間📱間(jian)隔内渦📞街流量計(jì)輸出脈沖的檢測(cè)，可最終實現對渦(wo)街流量計儀表系(xi)數等流🐆量特性的(de)研究。
上述全部工(gong)作過程均由計算(suan)機系統實時控制(zhì)和處㊙️理。經🥰過分🧡析(xī)和測試，試驗裝置(zhi)精度爲0.5級。
4流量特(te)性試驗研究
4.1試驗(yan)方案
在正壓法音(yin)速噴嘴氣體流量(liàng)标準裝置上,通過(guo)調⛷️節滞止壓力來(lái)改變介質密度,在(zai)4個不同介質密度(dù)條件下,分别對💛50mm口(kou)徑渦街流量計進(jìn)行大量的試驗🌏。通(tong)過數據分析，主要(yào)從兩方面考察介(jie)質密度變化對渦(wo)街流🔱量計流量特(tè)性的影響:
(1)考察渦(wō)街流量計儀表系(xi)數受密度變化影(yǐng)響程度📧,驗證卡🧡曼(man)渦街理論;
(2)考察渦(wo)街流量計測量下(xia)限随密度改變的(de)變化趨💰勢,從⭕理論(lun)角度給予解釋。
4.2試(shi)驗數據及分析
爲(wèi)了保證音速噴嘴(zui)在喉部達到音速(sù),并結合穩壓閥🐅的(de)🔴調壓範🍓圍，試驗選(xuan)擇在表壓0.13MPa、0.2MPa、0.3MPa.0.4MPa下進行(háng),對應空氣介質密(mi)度分别🐪爲2.774kg/m³、3.619kg/m³、4.782kg/m³、5.987.kg/m³。由于高(gāo)💋壓儲氣罐的容量(liàng)有限(12m³),爲避免當流(liu)量大時管道📧内壓(ya)力下降迅速，試驗(yàn)最大流量點選擇(ze)在176m³/h(對應流速爲25m/s);最(zuì)小流量點即流量(liàng)下限正是本文要(yào)研究的流量特性(xìng)之一，由試驗結果(guo)🔞而定。試驗嚴⁉️格按(àn)照國家計量檢定(dìng)規程進行,在每個(ge)介質密度下整個(ge)流量範圍内壓力(li)變化不超過1kPa,在每(měi)個流量點的每一(yi)次檢定過程中,壓(yā)縮空氣溫度變化(hua)不超過0.5℃
根據試驗(yàn)得到的數據,可繪(hui)制出如圖3不同空(kong)氣密度下渦街儀(yí)表系數随流量變(bian)化曲線,并得到渦(wō)街流量👌計的流量(liang)特性見表1。
式中:(Ki)max、(Ki)min爲(wei)各流量點系數Ki中(zhong)最大值、最小值;Kij爲(wei)第i個流量點第📱j次(cì)🚶儀表系數值;Ki爲.第(dì)i個流量點的平均(jun)儀表系數。
從圖3和(he)表1可總結出以下(xia)幾點結論:(1)不同密(mì)度下渦街各🏃♀️點儀(yí)表系數随流量變(biàn)化曲線K-qv具有很好(hǎo)的相似性。小流量(liàng)下K值波動較大,在(zai)流量點22m³/h處達到峰(fēng)值,之後K值趨于常(cháng)數且随着密度的(de)增大㊙️穩定性愈好(hǎo),這是因爲,影響渦(wō)街儀表系數♉的斯(sī)特勞哈爾數Sr是雷(lei)諾數Re的函🧡數,而Re的(de)定義♉爲:
式中:μ爲動(dong)力粘度。在流速U相(xiang)同情況下，ρ變大時(shi)Re也相應變🤞大,根據(jù)Sr-Re曲線(5),Sr将更加趨于(yú)平坦,故K值随着介(jie)質密度的增大穩(wěn)定性愈好。
(2)随着介(jie)質密度的增大,渦(wo)街流量計儀表系(xi)數變化♍很小，最大(da)相對誤差爲:
因而(ér)驗證了卡曼渦街(jie)理論得出的渦街(jiē)流量計幾乎不受(shòu)🐕流體🍓密度變化影(yǐng)響的特點,非常适(shì)合于氣體流量測(cè)量。
(3)随着介質密度(du)的增大，渦街流量(liàng)計不确定度和線(xiàn)📱性度基本☔不🏃🏻♂️變,渦(wo)街流量計精度爲(wèi)1.5級,且不受流體密(mi)度變化影響。
(4)随着(zhe)介質密度的增大(da),渦街流量計流量(liang)下限降低,量🐉程擴(kuo)大。這是因爲,由公(gong)式(2)可知,作用在旋(xuan)渦發生體上的升(shēng)力FL與被測🐆流體的(de)密度ρ和流速U平方(fang)成正比。當壓縮空(kong)氣密度ρ升高時,在(zài)保證渦🌈街流量計(ji)的✌️檢測靈敏度(即(ji)升力F)不變的情況(kuang)下,測量流速U會相(xiàng)應降低,那麽渦街(jiē)流量計的.流量下(xià)限qvmin也會相應降♌低(dī),上述過程可表示(shì)爲下式:
式中α爲常(cháng)數,可見流量下限(xian)qvmin與相應狀态下空(kōng)氣密🔅度平方根的(de)倒數即ρmin-1/2成正比,這(zhè)就是渦街流量計(jì)流量下限随介質(zhì)密度增大而降低(di)現象出現的理論(lùn)分析。結合表1中實(shí)際數據,繪出qvmin~ρmin-1/2曲線(xian),見圖4。
由圖4可見,試(shi)驗得到的qvmin~ρmin-1/2曲線基(jī)本符合公式(10)所述(shu)的線性關系,隻是(shì)在空氣密度爲4.782kg/m³點(dian)處誤差較大,這是(shì)㊙️由于音速噴嘴㊙️标(biao)準💃裝置對于流量(liang)點調節的非連續(xu)性造成的(在流量(liang)點14.8m³/h與9.9m³/h之間無中間(jiān)流量點)。
5結論
(1)随着(zhe)介質密度的增大(da),渦街流量計儀表(biao)系數變化很小，最(zuì)大相對誤差僅爲(wèi)0.405%,驗證了渦街流量(liang)計幾乎不受😄流體(tǐ)密度變化的影💚響(xiǎng)。
(2)随着介質密度的(de)增大,渦街流量計(ji)流量下限降低,量(liang)♈程擴大♊,根據作用(yong)在旋渦發生體上(shàng)的升力公:式對此(cǐ)現象進行了理🐪論(lùn)分🧑🏽🤝🧑🏻析。
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