摘要:利用(yong)正壓法音(yin)速噴嘴氣(qi)體流量标(biao)準裝置,通(tōng)過調節試(shì)驗☀️管道中(zhong)介質的工(gōng)作壓力(0.23~0.5MPa)來(lai)改變介質(zhi)密度,分别(bie)在空氣密(mi)度爲2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3、5.987kg/m3四種(zhong)情況下對(dui)50mm口徑氣體(ti)渦街流量(liang)計 的流量(liang)特性(儀表(biao)系數、線性(xìng)度、不确定(ding)度.流量下(xia)限)進行了(le)大量試驗(yan)研究。試驗(yàn)結果表明(ming),不同密度(dù)下 渦街流(liu)量計 儀表(biao)系數的最(zui)大相對誤(wù)差0.405%,驗證了(le)渦街流量(liang)計儀✌️表系(xì)數幾🔴乎不(bu)受流體密(mì)度變化的(de)影響;并發(fā)現渦街流(liu)量計的流(liu)量下限随(suí)着介質密(mì)度的增大(da)而向下延(yán)伸,對此現(xian)象進行了(le)分析☀️。
1引言(yán)
　　渦街流量(liàng)計是一種(zhong)利用流體(tǐ)振動原理(lǐ)來進行流(liu)量測♌量的(de)振動式流(liú)量計,廣泛(fàn)應用于測(ce)量和工業(yè)過程控制(zhi)領域中。但(dan)曆史㊙️較短(duǎn),理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗不足,還(hai)有許多工(gōng)作需要探(tan)✏️索、充實1.21渦(wō)街流量計(jì)最基本的(de)🌏流量方程(cheng)經常引用(yong)卡曼渦街(jie)理論，進而(ér)得出渦街(jie)流量計旋(xuan)渦分離的(de)頻率僅與(yǔ).流體工作(zuò)狀态下的(de)體積流量(liang)成正比,而(ér)對被測流(liú)體溫度、壓(ya)📐力、密度、粘(zhān)度和組📞分(fèn)變化不敏(mǐn)感的特點(diǎn)。實際應用(yòng)❗中,現場工(gong)作條件的(de)變化到底(dǐ)會對渦街(jiē)流量計測(cè)量帶來多(duo)🛀🏻大的附加(jia)誤差尚不(bú)明确。SophieGoujon-Durand研究(jiu)了流體粘(zhān)✍️度對渦街(jiē)流量計線(xiàn)性度的影(ying)響,繪出不(bú)同粘度對(duì)渦街線性(xìng)度的校正(zhèng)曲線[4]”。通過(guò)氣體不同(tóng)工作壓力(lì)下的試驗(yan)驗證了渦(wo)街流量計(jì)🈲不随介質(zhi)密度變化(huà)的結論，但(dan)🐅是并未給(gei)出具體試(shì)驗數據。本(ben)文采用試(shì)驗方法,利(li)用正☁️壓法(fǎ)音速噴嘴(zui)氣體流量(liang)标準裝置(zhi)❗,在不同介(jiè)質密度下(xia)對渦街流(liú)量計的流(liu)量特性進(jin)行對比研(yán)究，得到儀(yi)表系數和(hé)流量下限(xiàn)🤩随密度變(bian)✌️化曲線和(hé)趨勢,并對(duì)試驗🐇結果(guǒ)進行分析(xi)解釋。
2渦街(jie)流量計工(gong)作原理
　　如(rú)圖1所示，管(guan)道中垂直(zhí)插人一梯(ti)形柱狀旋(xuán)渦.發生體(tǐ),随着流🤟體(ti)流動,當管(guǎn)道雷諾數(shù)達到一定(ding)值時,在旋(xuan)渦🏃🏻‍♂️發生體(tǐ)兩側會交(jiao)替地産生(shēng)有規則的(de)旋渦,這種(zhǒng)旋渦稱爲(wèi)卡曼渦街(jiē)。

設(shè)旋渦發生(sheng)頻率爲，f,旋(xuan)渦發生體(ti)迎流面寬(kuan)度爲d,表體(tǐ)通徑爲D,根(gēn)據卡曼渦(wo)街原理，可(kě)知:

　　式中:U1爲(wei)旋渦發生(shēng)體兩側平(ping)均流速;U爲(wei)被測介質(zhì)來🆚流的平(ping)均流速;Sr爲(wèi)斯特勞哈(hā)爾數,對一(yi)定形狀的(de)旋渦發👄生(sheng)體在一定(dìng)雷諾數範(fan)圍内爲常(cháng)數;m爲旋渦(wō)發生體兩(liǎng)👅側弓形面(mian)積與管道(dao)橫⛷️截面面(miàn)積之比。
　　流(liú)體在産生(shēng)旋渦的同(tóng)時還受到(dào)一個垂直(zhi)方向上力(lì)的作用,根(gēn)據湯姆生(sheng)定律和庫(ku)塔一-儒可(ke)夫斯基升(sheng)力定理,設(shè)作用在旋(xuan)渦💃🏻發生體(ti)每單位長(zhǎng)度上的升(sheng)力爲FL有:

式(shì)中:cL爲升力(lì)系數;ρ爲流(liú)體密度。
　　由(yóu)于交替地(dì)作用在發(fa)生體.上升(shēng)力的頻率(lǜ)就是旋渦(wō)的脫落頻(pín)率,通過壓(yā)電探頭對(duì)FL變化頻率(lǜ)的檢測，即(jí)可得到?再(zai)由式(1)可得(de)體積流量(liàng)qv:

式中:K爲渦(wō)街流量計(jì)的儀表系(xi)數。
　　從式(3)、(4)可(kě)以看出,對(dui)于确定的(de)D和d,流體的(de)體積流量(liang)qv與旋渦頻(pin)率?成❄️正比(bǐ),而?隻與流(liu)速U和旋渦(wō)發生體的(de)幾何參數(shu)有💋關,且與(yu)被測流體(ti)的物性和(hé)組分無關(guan)，因此可以(yǐ)得出渦街(jiē)流量計不(bú)受流體溫(wēn)度、壓力、密(mi)度、粘度、組(zǔ)分因素的(de)影響。本文(wén)研究在複(fu)雜㊙️的現場(chang)環🐪境下,工(gōng)作壓力的(de)增加、介質(zhì)密度的變(bian)化對渦街(jie)流量計測(cè)量産⭐生的(de)影響。
3試驗(yan)裝置
3.1音速(su)噴嘴工作(zuò)原理
　　文丘(qiu)利噴嘴是(shì)個孔徑逐(zhú)漸減小的(de)流道,孔徑(jìng)最小📞的部(bù)分💚稱爲噴(pēn)嘴的喉部(bu),喉部的後(hou)面有孔徑(jing)逐漸擴大(dà)的流道。當(dāng)氣體通過(guò)噴嘴時,喉(hóu)部的氣體(tǐ)流速将随(suí)着節流壓(ya)♍力比減小(xiao)而增大。當(dang)節流壓力(li)比小到一(yī)定值時,喉(hou)部流🔴速達(da)到最大流(liu)速一音速(su)。此時👌若再(zài)減小節⛱️流(liu)壓力比,流(liu)🈲速(流量)将(jiāng)保持音速(su)不變,不再(zai)受下遊壓(ya)力的影響(xiǎng)，而隻與噴(pēn)嘴人口處(chu)的滞止壓(yā)力和溫度(du)有關,此時(shi)的噴嘴稱(chēng)爲音速噴(pēn)嘴,流量方(fāng)程式爲:

　　式(shi)中:qm爲流過(guo)噴嘴的質(zhì)量流量;A.爲(wei)音速噴嘴(zuǐ)喉部面積(jī);C爲♊流出系(xì)數;C.爲臨界(jie)流函數;P。爲(wei)音速噴嘴(zui)人口處滞(zhi)止絕對壓(yā)力;T。爲音⛷️速(su)噴嘴人口(kǒu)處滞止絕(jue)對溫度;R爲(wei)通用氣體(ti)常數;M爲氣(qì)體千摩爾(er)質量。
　　從式(shì)(5)可以看出(chū),一.種喉徑(jìng)的噴嘴隻(zhi)有一一個(gè)臨界流量(liang)🐅值👌,噴嘴人(ren)口的滯止(zhǐ)壓力和滞(zhì)止溫度不(bu)變時,通過(guo)噴嘴的流(liú)量也不變(biàn),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(ti)流量标準(zhǔn)裝置中。
3.2音(yīn)速噴嘴氣(qì)體流量标(biāo)準裝置
　　音(yīn)速噴嘴氣(qì)體流量标(biāo)準裝置按(an)照氣源壓(yā)力不同分(fen)🆚爲🏃🏻‍♂️正壓法(fǎ)和負壓法(fa)兩種。
　　正壓(yā)法裝置通(tōng)過改變噴(pen)嘴人口的(de)滞止壓力(lì)改變流過(guò)🔞噴嘴的氣(qi)體流量,用(yòng)較少的噴(pēn)嘴實現較(jiào)寬的流量(liàng)範圍,而且(qie)較高⭐而可(ke)變的氣源(yuan)壓力可以(yǐ)使其工作(zuò)在🏃🏻‍♂️正壓(絕(jue)壓0.2MPa以上)狀(zhuàng)态下,從而(er)氣體密度(du)高于常壓(yā)裝置🐇,具有(yǒu)不同密度(du)(壓力🙇‍♀️)點上(shàng)的試驗能(neng)力,可用于(yu)研究氣體(ti)密度變化(hua)對于流量(liang)儀表性能(neng)的影響。
　　本(běn)文試驗裝(zhuāng)置采用正(zheng)壓法,工作(zuo)流量範圍(wei)爲工況🧡2.5~666m3/h,工(gong)作壓力範(fàn)圍爲表壓(yā)0.1~0.5MPa,裝置結構(gou)圖如圖2所(suǒ)示。工作原(yuán)理是:首先(xiān)由空壓機(ji)将大氣中(zhong)的空氣送(song)人管道，經(jīng)冷幹機除(chu)去水氣後(hou)打人高壓(ya)儲氣♻️罐中(zhōng),待儲氣罐(guan)壓力升❗高(gao)到-定值之(zhī)後,調節穩(wen)壓閥使其(qi)下遊管道(dao)壓力穩定(ding)在合适值(zhi),經穩壓閥(fa)調節🤞後進(jìn)入試驗管(guan)道的高壓(yā)🈲氣體先後(hou)流經渦街(jie)流量計、滯(zhi)止容器、音(yin)速噴嘴組(zǔ)、彙氣管、消(xiāo)音器後,最(zuì)終通向大(dà)氣。其中，音(yin)速噴嘴組(zu)由安裝在(zài)滞止容器(qi)下遊的11個(ge)不同喉⛹🏻‍♀️徑(jing)音速噴嘴(zui)并聯而成(chéng)🥰,通過控制(zhi)音速噴嘴(zui)下遊的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼開(kāi)關閥門,可(ke)以任💜意選(xuǎn)擇音速噴(pen)嘴的組合(he)方式，以達(dá)到改變被(bèi)測儀表流(liú)量⁉️的✉️目的(de)。通過對滞(zhi)止容器上(shàng)溫度變送(sòng)器T、壓力變(bian)送🔞器P,信号(hào)采集,代人(ren)公式(5)便可(kě)得到通過(guo)音速噴嘴(zuǐ)的質量流(liú)量,亦🧑🏽‍🤝‍🧑🏻即流(liú)過渦街流(liú)量計處的(de)質量流量(liàng)。通過測量(liàng)渦❌街流量(liàng)計處的🚩溫(wēn)度T和壓力(li)P,可以計算(suan)出工作狀(zhuàng)态下空氣(qi)密度,進⭐而(ér)得🏃‍♀️到實際(jì)體積流量(liang)。再根據相(xiàng)同時間間(jiān)隔内渦街(jie)流量計輸(shū)💔出脈沖的(de)檢測，可最(zuì)終實現對(duì)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(guo)程均由計(jì)算機系統(tong)實時控制(zhi)和🈲處理😘。經(jīng)過分析和(he)測試，試驗(yan)裝置精确(que)度爲0.5級。

4流(liu)量特性試(shì)驗研究
4.1試(shi)驗方案
在(zài)正壓法音(yīn)速噴嘴氣(qi)體流量标(biao)準裝置，上(shang),通過調節(jiē)滞止👨‍❤️‍👨壓力(li)✍️來改變介(jie)質密度,在(zai)4個不同介(jie)質密度條(tiao)件🧑🏾‍🤝‍🧑🏼下,分别(bié)對50mm口徑渦(wō)街流量計(jì)進行大量(liang)的試驗。通(tōng)過數據分(fen)析,主要從(cong)兩方面考(kao)察介質密(mì)度變化對(duì)渦街流量(liàng)計流量特(te)性的影響(xiǎng):
(1)考察渦街(jiē)流量計儀(yi)表系數受(shòu)密度變化(hua)影響程度(dù),驗證卡曼(man)渦街理論(lùn);
(2)考察渦街(jiē)流量計測(cè)量下限随(suí)密度改變(bian)的變化趨(qu)勢,從理論(lùn)角度給予(yǔ)解釋。
4.2試驗(yàn)數據及分(fèn)析
爲了保(bǎo)證音速噴(pēn)嘴在喉部(bu)達到音速(sù),并結合穩(wen)壓🐪閥的🆚調(diào)壓範圍，試(shi)驗選擇在(zài)表壓0.13MPa、0.2MPa.0.3MPa、0.4MPa下進(jin)行,對應空(kong)氣介質🤟密(mì)度分别爲(wèi)2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3.5.987kg/m3。由于高壓(yā)儲氣罐的(de)容量有限(xian)(12m'),爲避免當(dāng)流量大時(shí)管道内壓(ya)力下降迅(xùn)速，試驗最(zui)大流量點(dian)選擇在176m3/h(對(dui)應流速爲(wei)25m/s);最🌈小流量(liàng)點🎯即流量(liang)下💁限正是(shì)本文要研(yán)究的流量(liang)特性之一(yi)，由試驗結(jie)果而定。試(shi)驗嚴格按(an)照國家計(jì)量檢定規(guī)程進行,在(zai)每個介質(zhi)密度下整(zhěng)個流量💞範(fan)圍内壓🙇‍♀️力(li)變化不超(chao)過1kPa,在每個(ge)流量點的(de)每✂️一次檢(jiǎn)定過程中(zhōng)，壓縮空氣(qi)溫☂️度變化(huà)不超過0.5℃。
根(gen)據試驗得(de)到的數據(ju),可繪制出(chu)如圖3不同(tóng)空氣密度(dù)下渦街儀(yi)表系數随(sui)流量變化(hua)曲線，并得(de)到渦街⭕流(liu)量計的流(liú)量👨‍❤️‍👨特性見(jian)表1。

從圖3和(he)表1可總結(jié)出以下幾(jǐ)點結論:
(1)不(bú)同密度下(xià)渦街各點(dian)儀表系數(shù)随流量變(biàn)化曲線K-q,具(ju)有很🌈好🚶‍♀️的(de)相似性。小(xiǎo)流量下K值(zhi)波動較大(dà),在流量點(diǎn)22m3/h處達到峰(fēng)值,之後⭐K值(zhi)趨于常數(shu)且随着密(mi)度的增大(dà)穩定性愈(yu)好,這是因(yin)爲,影響渦(wo)街儀表系(xì)數的斯特(tè)勞哈爾🛀🏻數(shù)Sr是雷諾數(shu)Re的函數🆚,而(ér)Re的定義爲(wei):

式中:μ爲動(dong)力粘度。在(zai)流速U相同(tong)情況下,ρ變(bian)大時Re也相(xiàng)✏️應變大,根(gen)據Sr-Re曲線'),Sr将(jiang)更加趨于(yu)平坦,故K值(zhi)随着介質(zhì)密度的增(zēng)大穩定性(xìng)愈好。
(2)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(duì)誤差爲:

因(yīn)而驗證了(le)卡曼渦街(jie)理論得出(chū)的渦街流(liú)量計幾乎(hū)🌈不受流體(tǐ)🈲密度變化(hua)影響的特(te)點,非常适(shi)合于氣體(tǐ)流量測量(liang)。
(3)随着介質(zhi)密度的增(zeng)大,渦街流(liú)量計不确(què)定度和線(xian)性度基本(běn)不變,渦街(jie)流量計準(zhun)确度爲1.5級(ji),且不受流(liú)體密度變(biàn)化影響。
(4)随(suí)着介質密(mi)度的增大(da),渦街流量(liang)計流量下(xia)限降低,量(liàng)程擴🤞大。這(zhe)是因爲,由(yóu)公式(2)可知(zhī),作用在旋(xuan)渦發生體(ti)上的升力(li)FL與被測流(liu)體的密度(du)ρ和流速U平(ping)方成正比(bi)。當壓縮空(kong)氣🏃🏻密度ρ升(sheng)高時,在保(bǎo)證渦街流(liu)量計的🐪檢(jian)測靈敏度(dù)(即升力❌FL)不(bu)變的情況(kuàng)下,測量流(liú)速U會相應(ying)降低,那麽(me)渦街流量(liàng)計的流量(liàng)下限q.mi也會(hui)相應降低(di)，上述過程(cheng)可表示爲(wèi)下式:


5結論(lun)
(1)随着介質(zhi)密度的增(zēng)大,渦街流(liú)量計儀表(biǎo)系數變化(huà)很小,最大(da)⛷️相對誤差(chà)僅爲0.405%,驗證(zheng)了渦街流(liu)量計幾乎(hū)不受流體(ti)密度變化(huà)❓的影響。
(2)随(suí)着介質密(mì)度的增大(dà),渦街流量(liang)計流量下(xia)限降低,量(liang)程擴大,根(gen)據作用在(zài)旋渦發生(shēng)體上的升(sheng)力公式對(duì)此現象進(jin)行了理🛀🏻論(lùn)分析。

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