摘要:利用(yòng)正壓法音(yīn)速噴嘴氣(qi)體流量标(biao)準裝置,通(tōng)過調節試(shi)驗管道中(zhōng)介質的工(gong)作壓力(0.23~0.5MPa)來(lai)改變介質(zhi)密度,分别(bie)在空氣密(mì)度爲🎯2.774kg/m³、3.619kg/m³、4.782kg/m³、5.987kg/m³四種(zhǒng)情況下對(duì)50mm口徑氣體(tǐ)渦街流量(liang)計 的流量(liàng)特性(儀表(biao)系數、線性(xìng)度、不确定(dìng)度.流量下(xià)限)進💞行了(le)大量試驗(yan)研究。試驗(yan)結果表明(ming),不同密度(du)下渦街流(liu)量計儀表(biǎo)系數的🔱最(zui)大相對誤(wù)差爲0.405%，驗證(zheng)了渦街流(liu)量計儀表(biǎo)系數幾乎(hu)不受流體(tǐ)密度變化(huà)的影響;并(bìng)發現渦街(jiē)流量計的(de)流量下限(xiàn)随着介質(zhi)密度的增(zeng)大而向下(xia)延伸,對此(ci)現象進行(háng)了分析。
1引(yǐn)言
　　氣體渦(wō)街流量計(ji)是一種利(lì)用流體振(zhèn)動原理來(lái)進行流.量(liàng)測量的振(zhen)動式流量(liàng)計,廣泛應(ying)用于測量(liang)和工業過(guo)程控制領(lǐng)域中。但曆(lì)史較短,理(lǐ)論基礎和(hé)實踐經驗(yan)不足,還有(yǒu)許多工作(zuo)需要探索(suǒ)、充實.
　　渦街(jie)流量計流(liú)量方程經(jīng)常引用卡(ka)曼渦街理(lǐ)論,進而得(dé)出渦街流(liú)量計旋渦(wo)分離的頻(pin)率僅與流(liú)體工作狀(zhuàng)✌️态下的體(tǐ)積流量成(cheng)正比，而對(dui)被測流體(ti)溫度、壓力(lì)、密度、粘度(du)🐇和組分變(biàn)化不敏感(gan)的特點田(tian)實際應用(yong)中,現場工(gōng)作條件的(de)變化到底(di)會對渦街(jie)流量計測(cè)量帶來多(duo)大的附加(jiā)誤差尚不(bu)明确。SophieGoujon-Durand研究(jiū)了流體粘(zhān)度對渦街(jie)流量計線(xian)性度的影(ying)響,繪出不(bú)同粘度對(dui)渦街線性(xìng)度的校正(zhèng)曲線。中提(tí)到通過氣(qì)體不同工(gong)作壓力下(xià)的試🍉驗驗(yàn)證了渦街(jie)流量計不(bú)随介質密(mi)度變化的(de)結論,但是(shi)并未給出(chu)具體試驗(yàn)💰數據。本文(wén)采用試驗(yan)方法,利用(yòng)正壓法音(yīn)速噴嘴氣(qi)體流🐉量标(biāo)準裝置,在(zài)不同介質(zhi)🙇🏻密✨度下對(dui)渦街流量(liàng)計的流量(liàng)特性進行(háng)對比研究(jiu),得到🚶‍♀️儀表(biǎo)系數和流(liu)量下限随(sui)密度💔變化(huà)曲線和趨(qū)勢,并對試(shi)驗結果進(jìn)行分析解(jiě)釋。
2渦街流(liú)量計工作(zuò)原理
　　如圖(tú)1所示,管道(dào)中垂直插(cha)人一梯形(xíng)柱狀旋渦(wō)發生體,随(sui)🥰着流體流(liu)動,當管道(dào)雷諾數達(dá)到一定值(zhí)時,在旋渦(wo)發生體兩(liang)側會交替(ti)地産生有(yǒu)規則的旋(xuán)渦，這種旋(xuan)渦稱爲卡(kǎ)曼渦街。
 
　　式(shi)中:U1爲旋渦(wo)發生體兩(liǎng)側平均流(liú)速;U爲被測(ce)介質來流(liu)的平💁均流(liu)速;Sr爲斯特(tè)勞哈爾數(shu),對一定形(xing)狀的旋渦(wo)發生體在(zai)一定雷💛諾(nuo)數範圍内(nei)爲常數;m爲(wèi).旋渦發生(shēng)體兩側弓(gong)形面積與(yǔ)管道橫截(jié)面面積之(zhī)比。
　　流體在(zài)産生旋渦(wō)的同時還(hai)受到一個(gè)垂直方向(xiàng)上💋.力的作(zuo)用,根據湯(tāng)姆生定律(lü)和庫塔一(yī)儒可夫斯(sī)基升力❓定(ding)理,設作用(yong)在㊙️旋渦發(fā)生體每單(dān)位長度上(shang)的升力爲(wèi)Fl,有:
 
　　式中:CL爲(wei)升力系數(shu);ρ爲流體密(mi)度。
　　由于交(jiāo)替地作用(yong)在發生體(tǐ)上升力的(de)頻率就是(shi)旋渦的脫(tuo)落頻率,通(tong)過壓電探(tan)頭對FL變化(huà)頻率的檢(jiǎn)測👅,即可得(de)到ƒ,再由式(shi)(1)可🤩得體積(jī)流量qv;
 
　　式中(zhōng):K爲渦街流(liu)量計的儀(yí)表系數。
　　從(cóng)式(3)、(4)可以看(kan)出,對于确(que)定的D和d,流(liú)體的體積(ji)流量qv與旋(xuán)🚶渦頻率ƒ成(cheng)正比,而ƒ隻(zhi)與流速U和(he)旋渦發生(sheng)體的幾何(he)參數有關(guan),且與被測(cè)流體的物(wu)性和組分(fen)無關，因此(ci)可以👣得出(chū)渦街流量(liang)計不受📱流(liú)體溫度、壓(yā)力、密度、粘(zhan)度、組分🐉因(yīn)素的影響(xiǎng)。本文研究(jiu)在複雜🐇的(de)現場環🥵境(jìng)下,工作壓(yā)⭐力的增加(jiā)、介質密度(dù)的變化對(duì)渦街流量(liang)計測量産(chǎn)生的影響(xiang)。
3試驗裝置(zhi)
3.1音速噴嘴(zuǐ)工作原理(li)
　　文丘利噴(pēn)嘴是個孔(kong)徑逐漸減(jiǎn)小的流道(dao),孔徑最小(xiǎo)的部🈲分稱(cheng)爲噴嘴的(de)喉部,喉部(bu)的後面有(you)孔徑逐漸(jian)擴大的流(liú)道。當氣體(ti)通過噴嘴(zui)時,喉部的(de)氣體流速(su)将随着節(jiē)流壓力比(bi)減小而增(zeng)大。當節流(liu)壓力比小(xiǎo)到-.定值時(shí)，喉部流速(sù)達到最大(da)🙇🏻流速一音(yin)速。此時若(ruo)✂️再減小節(jiē)流壓力比(bǐ),流速😄(流量(liàng))将保持音(yīn)速不變，不(bu)再受下遊(you)壓力的影(ying)響,而隻與(yǔ)噴嘴入口(kǒu)處的☁️滞止(zhǐ)壓力和溫(wen)🔴度有關,此(ci)時的⭐噴嘴(zuǐ)稱爲音速(sù)噴嘴,流量(liang)方程式爲(wei):
 
　　式中:qm爲流(liu)過噴嘴的(de)質量流量(liàng);An爲音速噴(pen)嘴喉部面(miàn)積;C爲流出(chū)系數;C.爲臨(lin)界流函數(shù);P0爲音速噴(pen)嘴人口處(chu)滞止絕對(duì)壓力;T0爲音(yīn)速噴嘴人(ren)口處滞止(zhǐ)絕對溫度(dù);R爲通用氣(qì)體常數;M爲(wèi)氣體千摩(mo)爾質量。
　　從(cong)式(5)可以看(kàn)出,一種喉(hóu)徑的噴嘴(zui)隻有一個(gè)臨界流🛀🏻量(liang)值，噴嘴入(rù)口的滯止(zhǐ)壓力和滞(zhì)止溫度不(bu)變時,通過(guò)噴嘴的流(liu)量🚶也不變(bian),正♉是由于(yu)此特性使(shi)音速噴🌈嘴(zui)作爲标準(zhun)件廣泛應(yīng)💁用于氣體(tǐ)流量标準(zhun)裝置中。
3.2音(yin)速噴嘴氣(qi)體流量标(biao)準裝置
　　音(yin)速噴嘴氣(qi)體流量标(biāo)準裝置按(an)照氣源壓(ya)力不同分(fen)爲正⛷️壓法(fǎ)和負壓法(fa)兩種。
　　正壓(yā)法裝置通(tong)過改變噴(pen)嘴人口的(de)滞止壓力(lì)改變流過(guo)噴嘴的氣(qì)體流量,用(yòng)較少的噴(pen)嘴實現較(jiào)寬的流量(liàng)範圍,而且(qiě)較高而可(ke)變的氣源(yuan)壓力可以(yi)使其工作(zuò)在正壓(絕(jué)🚶‍♀️壓0.2MPa以上)狀(zhuang)态下,從而(ér)氣體密度(dù)高于🐪常壓(yā)裝置,具有(yǒu)不同密度(du)(壓力)點上(shang)的試驗能(neng)力,可用于(yu)研究氣體(tǐ)密度變化(huà)對于流量(liang)儀表性能(neng)的影🤟響。
　　本(běn)文試驗裝(zhuang)置采用正(zhèng)壓法,工作(zuò)流量範圍(wéi)爲工況2.5~666m³/h,工(gong)作壓力範(fàn)圍爲表壓(ya)0.1~0.5MPa,裝置結構(gou)圖如圖2所(suǒ)示。工作原(yuan)理是:首先(xiān)由空壓機(ji)将大氣中(zhōng)的空氣送(song)人管道，經(jīng)冷幹♊機除(chú)去水氣後(hou)打人高壓(yā)儲氣罐中(zhōng),待儲氣㊙️罐(guàn)壓力升高(gao)到-定值之(zhi)後,調節穩(wěn)壓閥使其(qí)下遊管☀️道(dào)壓力穩定(ding)在合适值(zhí),經穩壓閥(fa)調節後進(jìn)人試驗管(guǎn)道的高壓(ya)氣🛀🏻體先後(hou)流經渦街(jie)流量計、滞(zhì)止容器、音(yin)速噴嘴組(zu)、彙氣管、消(xiāo)音器後,最(zuì)終通向大(da)氣。其中，音(yīn)速噴嘴組(zǔ)由安裝🔴在(zai)滞止容器(qì)下遊的11個(gè)不同喉徑(jìng)音速噴嘴(zui)并聯而成(chéng),通過控制(zhì)音速噴嘴(zui)下遊的😄開(kai)關閥門,可(ke)以任意選(xuan)擇音速噴(pen)嘴的組💋合(hé)方式,以✔️達(dá)到改變被(bèi)測儀表流(liú)量㊙️的目的(de)。通過對滞(zhì)止容器上(shang)溫度變送(sòng)器T、壓力變(biàn)送器P1信号(hao)采集,代人(rén)公式(5)便可(ke)得到通過(guò)音速噴嘴(zuǐ)的質量流(liu)量,亦即🔴流(liú)過渦街流(liu)量計處的(de)質🥰量流量(liang)。通過測量(liàng)渦街流量(liàng)計處的溫(wen)度T和壓力(lì)P,可以計㊙️算(suan)出工作狀(zhuang)态下空氣(qì)密度,進而(er)得到實際(jì)體積流量(liang)。再根據相(xiàng)同時間間(jiān)隔内渦街(jiē)流量計輸(shu)出脈沖的(de)檢測，可最(zuì)終實現對(dui)渦街流量(liàng)計儀表系(xì)數等流量(liàng)特性的研(yan)究。
　　上述全(quán)部工作過(guò)程均由計(ji)算機系統(tǒng)實時控制(zhi)和處理。經(jīng)過分析和(hé)測試，試驗(yan)裝置精度(du)爲0.5級。
 
4流量(liàng)特性試驗(yàn)研究
4.1試驗(yan)方案
　　在正(zhèng)壓法音速(su)噴嘴氣體(tǐ)流量标準(zhǔn)裝置上,通(tong)過調節滞(zhì)止壓力來(lai)改變介質(zhì)密度,在4個(ge)不同介質(zhì)密度條件(jiàn)下,分别對(dui)50mm口徑⛹🏻‍♀️渦街(jiē)流量計進(jin)行大量的(de)試驗。通過(guo)數據分析(xi)✍️，主要從兩(liang)方面考察(cha)介🔴質密度(dù)變化對渦(wo)街流量計(jì)流量特性(xìng)的影👈響:
(1)考(kǎo)察渦街流(liú)量計儀表(biǎo)系數受密(mì)度變化影(ying)響程度💚,驗(yan)證👈卡💚曼渦(wō)街理論;
(2)考(kǎo)察渦街流(liu)量計測量(liàng)下限随密(mì)度改變的(de)變化趨勢(shì),從理論角(jiǎo)度給予解(jie)釋。
4.2試驗數(shu)據及分析(xi)
　　爲了保證(zheng)音速噴嘴(zui)在喉部達(da)到音速,并(bing)結合穩壓(ya)閥的調壓(yā)範圍，試驗(yàn)選擇在表(biao)壓0.13MPa、0.2MPa、0.3MPa.0.4MPa下進行(háng),對應空氣(qi)㊙️介質密度(dù)分别爲2.774kg/m³、3.619kg/m³、4.782kg/m³、5.987.kg/m³。由(yóu)于高壓儲(chu)氣罐的容(rong)量有限(12m³),爲(wèi)避免當👌流(liú)量大時管(guǎn)道内壓力(li)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼下降迅💃速(su)，試驗最大(da)流量點選(xuan)擇在176m³/h(對應(yīng)流速爲25m/s);最(zui)小流量點(diǎn)即流量下(xià)限正是本(ben)文要研究(jiū)的流量特(tè)性之一👨‍❤️‍👨，由(yóu)試驗結果(guǒ)而定。試驗(yàn)嚴格按照(zhào)國家計量(liàng)檢定規程(chéng)進行,在每(měi)個介質密(mì)度下整☁️個(ge)流量範圍(wei)内壓力變(biàn)化不超過(guo)1kPa,在每個流(liú)量點的每(měi)🌏一次檢定(dìng)過程中,壓(ya)縮空氣溫(wēn)㊙️度變化不(bú)超過0.5℃
　　根據(jù)試驗得到(dao)的數據,可(kě)繪制出如(ru)圖3不同空(kong)氣密度下(xia)㊙️渦街儀表(biǎo)系數随流(liú)量變化曲(qu)線,并得到(dao)渦街流量(liàng)🌈計的㊙️流量(liàng)特性💰見表(biǎo)1。
 
　　式中:(Ki)max、(Ki)min爲各(gè)流量點系(xì)數Ki中最大(da)值、最小值(zhí);Kij爲第i個流(liú)✍️量點第⭐j次(cì)儀🥵表系數(shù)值;Ki爲.第i個(ge)流量點的(de)平均儀表(biao)系數。
　　從圖(tú)3和表1可總(zǒng)結出以下(xià)幾點結論(lun):(1)不同密度(dù)下渦街各(gè)點儀表🌈系(xì)數随流量(liàng)變化曲線(xian)K-qv具有很好(hǎo)的相似性(xìng)。小流量下(xià)K值波📞動較(jiao)大,在流量(liàng)點22m³/h處達到(dao)峰值,之後(hou)K值趨于常(chang)數且随😘着(zhe)密度的增(zeng)大👄穩定性(xing)愈好,這是(shi)因爲,影響(xiǎng)渦街儀表(biao)系數的斯(si)特勞哈爾(er)數Sr是雷諾(nuò)數Re的函🚩數(shu),而Re的定義(yì)爲:
 
　　式中:μ爲(wei)動力粘度(dù)。在流速U相(xiàng)同情況下(xia)，ρ變大時Re也(ye)相應變大(dà),根據Sr-Re曲線(xian)(5),Sr将更加趨(qu)于平坦,故(gu)K值随着介(jie)質密度的(de)增🔅大穩定(ding)性愈好。
(2)随(sui)着介質密(mi)度的增大(dà),渦街流量(liàng)計儀表系(xì)數變化很(hen)小✊，最大💯相(xiang)對誤差爲(wèi):
 
　　因而驗證(zheng)了卡曼渦(wo)街理論得(dé)出的渦街(jiē)流量計幾(jǐ)乎不受流(liú)體密度變(bian)化影響的(de)特點,非常(cháng)适合于氣(qì)體流量測(cè)量。
(3)随着介(jiè)質密度的(de)增大，渦街(jiē)流量計不(bú)确定度和(he)線性度基(jī)本不變,渦(wo)街流量計(ji)精度爲1.5級(jí),且不受流(liu)體密度⭐變(bian)化影響。
(4)随(sui)着介質密(mì)度的增大(da),渦街流量(liang)計流量下(xià)限降低,量(liang)程擴大。這(zhe)💜是因爲,由(yóu)公式(2)可知(zhi),作用在旋(xuan)渦發生體(tǐ)上的升力(lì)FL與被測流(liú)體的密度(dù)ρ和流速U平(píng)方成正💞比(bǐ)。當壓縮空(kōng)氣密度ρ升(sheng)高時,在👈保(bǎo)證渦街流(liu)量計的檢(jiǎn)測靈敏❤️度(du)(即升力F)不(bu)變的情🈲況(kuàng)下,測量流(liu)速U會相🌏應(yīng)降低,那麽(me)渦街流量(liang)計的.流量(liang)下限🈲qvmin也會(huì)相應降低(di),上述過程(cheng)可表示爲(wei)下式:
 
　　式中(zhōng)α爲常數,可(kě)見流量下(xia)限qvmin與相應(ying)狀态下空(kong)氣密度平(ping)方根的倒(dao)數即ρmin-1/2成正(zheng)比,這就是(shì)渦街流量(liang)計流💋量下(xià)限随介質(zhi)密度增大(dà)而降低現(xiàn)象出現的(de)理論分析(xī)。結😘合表1中(zhong)實際數💁據(jù),繪出qvmin~ρmin-1/2曲線(xiàn),見圖4。
 
　　由圖(tú)4可見,試驗(yàn)得到的qvmin~ρmin-1/2曲(qǔ)線基本符(fú)合公式(10)所(suǒ)述的線性(xing)關系,隻是(shì)在空氣密(mì)度爲4.782kg/m³點處(chu)誤差較大(da),這是由于(yú)音速✍️噴嘴(zuǐ)标準裝置(zhì)對于流量(liang)點調節的(de)非連續性(xing)造🈲成的(在(zai)💞流量點14.8m³/h與(yu)9.9m³/h之間無中(zhong)間流量點(dian))。
5結論
(1)随着(zhe)介質密度(du)的增大,渦(wo)街流量計(ji)儀表系數(shu)變化很小(xiǎo)，最大相對(dui)誤差僅爲(wei)0.405%,驗證了渦(wō)街流量計(jì)幾乎不受(shòu)流體密度(du)變化的影(yǐng)響。
(2)随着介(jiè)質密度的(de)增大,渦街(jie)流量計流(liu)量下限降(jiang)低,量程擴(kuò)大,根據作(zuo)用在旋渦(wō)發生體上(shàng)的升力公(gong):式對此現(xiàn)象🍓進行了(le)理論分析(xī)。

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