摘要(yào):一種執行德(de)國标準DIN2501的進(jìn)口氣體渦街(jiē)流量計 安裝(zhuang)在國标流量(liang)裝置上進行(hang)标定時，因兩(liang)者管道内徑(jìng)尺寸存在差(cha)異，導緻常規(gui)方法下測壓(ya)位置的選取(qu)對标準裝置(zhi)體積流量值(zhi)的計算正确(què)率造成💁影響(xiǎng)，因而産生實(shi)驗誤☂️差;本文(wen)對這一現象(xiàng)進行分析研(yan)究，并✉️通過多(duō)組實驗數據(ju)對比，驗證了(le)系統誤差确(que)實存在，但在(zai)常溫常壓以(yǐ)空氣作介質(zhi)的實驗條件(jian)下，此誤‼️差的(de)影響量很小(xiao)，一般可忽略(lue)不計，由此說(shuō)明應用常規(guī)的實驗方法(fǎ)對該類進口(kǒu)渦街流量計(jì)進行标定也(yě)是🔱可行的。
0引(yǐn)言
　　渦街流量(liàng)計 是通過卡(ka)門漩渦原理(li)測量流體流(liú)量的一種儀(yi)表，相比🌈上🈲世(shì)紀80年代使用(yong)較爲廣泛的(de)孔闆流量計(jì)，其具有🈲結構(gou)簡單，壓力損(sǔn)失小，量程範(fàn)圍寬，便于安(an)裝等優點［1］。因(yīn)此，随着技術(shu)的發展，渦街(jiē)流量計在工(gōng)業計量上的(de)📧使用逐漸成(cheng)爲主流(以下(xia)簡稱流量計(ji)或儀表)。
1工作(zuò)原理
　　流量計(jì)通過在流體(tǐ)中設置三角(jiao)柱型旋渦發(fa)生體，使💰流體(ti)産生卡門漩(xuán)渦，在一定雷(lei)諾數範圍内(nei)，旋渦的釋💁放(fang)頻率與流體(ti)‼️平均流速、旋(xuan)渦發生體特(te)征寬度有關(guān)，通過測量旋(xuán)渦頻率可✉️以(yi)計算💃出流體(ti)的流速，再測(cè)得流量計管(guan)道截面積可(kě)換算得體積(jī)流量［1－2］。
2氣體流(liu)量标準裝置(zhì)
　　流量計在投(tóu)入使用前進(jin)行量值溯源(yuan)是不可缺少(shao)的🌏環節，而在(zai)量值傳遞工(gōng)作的開展中(zhong)，負壓法臨界(jiè)流文丘裏噴(pen)嘴氣體♍流量(liàng)标準裝置是(shi)一種十分典(diǎn)型常見的流(liu)量👌标準裝置(zhi)，如圖1所示，它(tā)🎯具備結構簡(jian)單、穩定性好(hao)、适用範圍廣(guang)等優點，其工(gong)作原理是當(dang)💘氣體在噴嘴(zuǐ)上下遊的壓(yā)差達到一定(dìng)🔞值時将形成(cheng)🛀臨界流，此時(shí)流🎯經噴嘴喉(hou)部的氣體流(liu)速達到⛱️最大(dà)值，測量該狀(zhuang)态下🌏流體的(de)😄溫度、靜壓、濕(shī)度，由密度換(huan)✊算得流過噴(pēn)嘴的氣體質(zhi)量流量，根據(jù)連續性原理(li)✏️，流場内各處(chu)質量流量相(xiang)等［3］。通過選用(yong)不同的噴嘴(zui)組合使标準(zhun)流量可控，以(yǐ)滿足對流量(liàng)計進行标定(dìng)的實驗需求(qiú)。
 
3執行标準不(bú)同帶來的管(guan)徑差異
　　以無(wu)縫鋼管爲例(lì)，由于存在标(biao)準體系、尺寸(cùn)的單位制等(děng)差異，再有加(jiā)工誤差因素(su)，标稱通徑相(xiàng)同的兩段管(guǎn)道，它💰們的實(shi)際内徑尺寸(cun)也不盡然相(xiang)等。如圖2所示(shì)，這款Prowirl72F系列的(de)德國🛀🏻進口Endress+Hauser品(pin)牌流量計，參(cān)考說明🚶‍♀️書标(biāo)示，如圖3所示(shì)，其☀️表體管道(dào)生産工藝依(yi)據德标DIN2501标準(zhun)，部分規🏃‍♀️格的(de)流量計外形(xing)尺寸如表1所(suǒ)示，常見用于(yú)中低壓環境(jing)下的流量計(ji)内徑d普遍比(bǐ)标稱值🐇偏大(da)約3%至7%。而在國(guo)内用于标定(ding)流量計的标(biāo)準裝置爲保(bǎo)障通用性需(xū)求，一般遵循(xun)我國現行的(de)國家标準設(she)計，其中直管(guan)段部分選材(cái)依據GB/T17395－2008，各規格(ge)的管道通徑(jìng)尺寸與标稱(cheng)值接近🥰相等(deng)，在對上述德(dé)标流量計進(jin)行标定時，會(huì)出現因兩者(zhě)管道内徑存(cún)在一定差異(yi)的情況，将可(ke)能帶來實驗(yan)誤差。  
 
4标定誤(wu)差來源分析(xī)
　　渦街流量計(jì)本質上是一(yī)種速度式流(liú)量計，其直接(jiē)測量的量爲(wèi)🐉介質的流速(su)，考慮到由于(yú)體積流量僅(jin)以介質流速(su)及截面積确(què)定，不受其他(tā)因素影響，因(yin)此，一般以體(tǐ)積流量進行(háng)示值誤差或(huò)儀表系數的(de)計算依據。
　　在(zài)使用文丘裏(li)噴嘴氣體流(liu)量标準裝置(zhi)對流量計進(jìn)✨行💃标定時，根(gēn)據連續性原(yuán)理，達到臨界(jiè)條件後，隻要(yào)分别測得被(bèi)檢流量計✔️、噴(pen)嘴兩處的氣(qi)體溫度、靜壓(ya)、濕度🔞，則可通(tong)🈲過密度關系(xi)計算被檢表(biao)處流量标準(zhun)值，即标準裝(zhuāng)置示值，再讀(dú)取流量計示(shi)值即可計算(suan)示值誤差。但(dàn)如上文所示(shi)的流量計一(yi)般無法直接(jie)測量其内部(bù)氣體狀态參(can)數，而隻能在(zai)儀表♌上、下遊(yóu)的管道上進(jìn)行開孔測量(liang)作近似估值(zhi)，通過此方✨式(shi)所測流量标(biāo)準值實際爲(wèi)測量孔截面(mian)😄處氣體流量(liàng)。考慮到在實(shi)驗室條件下(xia)，氣體的溫度(dù)、濕度基本恒(heng)定，而在不同(tong)的位置測量(liàng)的靜壓值則(zé)有較大差異(yi)，因此，測壓位(wèi)置的選取對(dui)體積流量标(biao)準值的計算(suan)正确率起重(zhòng)要影響。根據(jù)　　JJG1029－2007《渦街流量計(jì)檢定規程》，一(yī)般于儀表下(xià)遊段2至7倍内(nèi)徑距離的範(fan)🏃‍♂️圍内都可認(rèn)爲是合理的(de)測壓位置，所(suo)測靜壓與儀(yí)表内部實際(ji)值近似視作(zuò)相等［4－5］，但當被(bei)檢儀表爲上(shàng)文所述E+H流量(liang)計時，由于其(qí)表體管道内(nèi)徑稍大于标(biāo)準裝置管道(dào)，則儀表與直(zhí)管段間連接(jiē)處🍓将出現突(tū)變轉折截面(miàn)，如圖4所示，當(dāng)氣體流經轉(zhuǎn)折面時，将🐉産(chan)生一定壓力(lì)損失，此時下(xia)遊段測壓處(chù)所測得氣體(ti)靜壓理論上(shàng)比儀表内部(bu)實際值小，導(dao)緻計算🔅所得(de)标準體積流(liú)量比儀表處(chù)實際值大，且(qiě)流量越大該(gai)過程的壓能(néng)損失越多，下(xia)遊測壓計算(suàn)所得标準值(zhi)越偏離真值(zhi)，這種誤差可(kě)認爲是實驗(yàn)方法引起的(de)系統誤差🏃‍♀️［6］。
 
4.1機(jī)械能損失分(fèn)析
　　因流量計(jì)傳感器組成(cheng)部分前後均(jun1)有一定長度(du)表體直管段(duàn)且與标準裝(zhuāng)置管道間内(nèi)徑差異較小(xiao)，流場擾動基(jī)本被儀表本(běn)身抗幹擾能(neng)力克服，可認(rèn)爲流量計計(ji)量性🐪能不受(shòu)影響，則⛷️隻需(xu)考慮氣體靜(jing)壓測量值的(de)正确率。從能(néng)量損失角度(du)分析:如圖5所(suo)示❤️，由于流線(xian)不能轉折，流(liu)體㊙️在流經突(tū)然收縮斷面(miàn)時🔴，将形成流(liú)股收縮，至c－c斷(duan)面後逐漸擴(kuo)散，在此過程(chéng)中，流體先有(yǒu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼加速的收縮(suo)流後減速的(de)⭕擴散流兩者(zhe)都産生阻力(lì)［7］。爲簡化分💛析(xī)此過程中的(de)能量損失，設(shè)流🐆體爲不可(kě)壓縮流體，設(shè)🏃‍♂️c－c斷面處的理(li)想平均流速(sù)爲v0，根據伯努(nu)利方程:
 
　　式中(zhōng)，α1爲動能修正(zhèng)系數，無量綱(gāng);v1爲斷面1－1處流(liú)體平均流📧速(su)🏃‍♂️，m/s;P1爲斷面🔱1－1處流(liu)體靜壓，N/m2;α0爲動(dong)能修正系數(shu)，無量綱;v0爲斷(duàn)面c－c處流體理(lǐ)想平均流速(sù)，m/s;PC爲斷面c－c處流(liú)體靜壓，N/m2;ρ爲流(liú)體密度，kg/m3;g爲重(zhong)力加速度，N/kg或(huo)m/s2。
　　實際上從1－1斷(duàn)面至c－c斷面間(jian)存在一定能(néng)量損失，假設(she)爲U1，再者c－c斷面(mian)的實際平均(jun1)流速νC要比v0稍(shāo)小一些，它們(men)的比值νC/v0=Cν，稱爲(wei)流速系數，一(yī)般約爲0.99～0.97［7］，基于(yu)本文所讨論(lùn)情況，該斷面(mian)收縮較小🌈，取(qǔ)Cν=0.99計算，且在紊(wen)流狀态下α1=α0=1，即(jí):
 
 
　　由于在标定(ding)實驗中，流體(tǐ)介質一般爲(wei)空氣，而空氣(qi)是一種可壓(yā)縮流體，考慮(lü)到在重力場(chǎng)中，可壓縮性(xing)流體的勢能(neng)與壓力能、動(dong)能比較起來(lái)是小得可以(yi)忽略不計的(de)［7－8］，即伯努利方(fang)程可簡化爲(wei)以下形式:
 
　　其(qi)中C爲常數，且(qie)氣體在流量(liang)計内(斷面1－1處(chù))流至測壓處(chu)(斷面2－2)的過程(cheng)中可近似地(dì)看作等熵過(guo)程，因此，有P1/ρk1=P2/ρk2，ρ1=P1/P2()1/kρ2，對(dui)于空氣的等(děng)熵指數k≈1.4，由于(yú)在此過程中(zhōng)單位質量流(liu)體的能量損(sun)失U很小，爲簡(jiǎn)化分析直接(jie)用ρ2計算其機(jī)械能損失，則(zé)方程可寫爲(wei)：
 
　　式中，P1爲流量(liang)計内(斷面1－1處(chù))空氣靜壓，N/m2;ρ1爲(wei)流量計内(斷(duàn)面👈1－1處)空氣密(mi)度，kg/m3;v1爲流量計(jì)内(斷面1－1處)空(kong)氣平均流速(sù)，m/s;P2爲測壓點(斷(duàn)面2－2處)空氣靜(jìng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼壓，N/m2;ρ2爲測壓點(diǎn)(斷面2－2處)空氣(qi)密度，kg/m3;v2爲流量(liang)計内(斷面2－2處(chù))空氣平均流(liú)速，m/s。
　　由于在标(biao)定實驗中，空(kong)氣的質量流(liú)量Qm可通過文(wen)丘裏噴嘴📐測(ce)量⁉️換算得到(dào)，設斷面1－1處、斷(duàn)面2－2處管道面(miàn)積爲S1、S2，則空氣(qì)在兩處的🏃流(liú)速分别爲:
 
　　式(shi)中，Qm爲空氣的(de)質量流量，kg/s;S1爲(wei)斷面1－1管道截(jie)面積，m2;S2爲斷🧑🏽‍🤝‍🧑🏻面(mian)2－2管道截面積(jī)，m2。
　　經過變換得(de)到一個一元(yuan)方程，僅有ρ1爲(wèi)未知量，各項(xiàng)參🔴數均能♌在(zai)實驗中直接(jiē)測量或換算(suàn)所得，通過使(shǐ)用軟件工具(jù)如💞MATLAB、Excel或其他方(fang)式解出ρ1，則P1=P2ρk1/ρk2，流(liu)量計内體積(jī)流量的理論(lun)值QV爲:
 
式中，QV爲(wei)空氣的體積(ji)流量，m3/s。
5實驗數(shù)據比較
　　通過(guo)使用文丘裏(li)噴嘴氣體流(liú)量标準裝置(zhì)對三個不同(tong)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼規格的E+H渦街(jie)流量計進行(háng)标定，由标準(zhun)器測量😄及密(mi)度換算得Qm、P2、ρ2，使(shǐ)用🌏遊标卡尺(chi)分别測量流(liú)量計與裝置(zhi)管道内徑A1、A2，并(bing)計算⁉️兩者通(tōng)🔞徑截面✂️積S1、S2、收(shou)縮系數Cc、測壓(ya)處截😍面參考(kǎo)流💛速v2、單位質(zhi)量流體的能(neng)量損失U，利用(yòng)MATLAB軟件中的solve函(hán)數求解式(14)，得(de)流量計🐇内氣(qì)體的理💜論密(mi)度ρ1，理論🔴靜壓(ya)P1，根據式(15)得理(li)論體積流量(liàng)QV，計算其與标(biao)準裝🥰置體積(ji)流量示值的(de)相對❗誤差。表(biao)1～3爲三種規格(ge)流量計的實(shí)驗數據
 
　　根據(jù)實驗數據，流(liú)量計體積流(liú)量示值與計(ji)算所得理論(lun)實際值雖然(rán)不相等，但從(cong)相對标準裝(zhuang)置示值的誤(wù)✉️差線性關♊系(xi)來🈲看，兩者所(suǒ)呈現的誤差(chà)均随着流速(su)的增加而往(wǎng)負方向增長(zhang)，如圖6、圖7所示(shì)。從這個角度(du)來看，符合“因(yīn)過程存在壓(ya)💯能損失導緻(zhi)下遊測壓所(suǒ)得靜壓值偏(pian)小，流量裝置(zhi)換算出的标(biao)準體積流量(liang)示值偏大”這(zhe)一分析。
 
 
6結論(lun)
　　對這類内徑(jing)偏大的渦街(jie)流量計采用(yong)下遊測壓的(de)常規方法進(jin)行标定時，标(biāo)準裝置的體(ti)積流量示值(zhi)實存在一🌈定(dìng)誤👣差，但計算(suan)數據也表明(míng)，在常溫常壓(yā)、使用空氣作(zuo)介💜質的條件(jian)下，即使在流(liu)速較高時，由(you)該方法引📧入(ru)的系統🥵誤差(chà)也很小，僅爲(wèi)0.1%左🈲右，對于絕(jue)大多數精度(dù)等級爲1.0甚至(zhì)更低或使用(yong)場合無極高(gāo)精度要求的(de)流量計，一般(ban)可忽略此誤(wù)差，參照❗檢定(dìng)規程要求在(zài)流量計下遊(yóu)段測壓的标(biāo)定方法是可(ke)行的。當然，若(ruò)是利用蒸汽(qi)或其他密度(dù)較大、流速更(geng)❓高的介質進(jìn)行标定時，該(gāi)系統誤差也(yě)會随之增大(dà)，建議盡量采(cai)用表🍉體取壓(yā)或制作匹配(pei)檢測管線的(de)💛方法進行實(shi)驗。

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