摘要:利用(yong)正壓法音(yin)速噴嘴氣(qi)體流量标(biāo)準裝置,通(tong)過🏒調節試(shì)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(bié)在空氣密(mì)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(liàng)計 的流量(liàng)特性(儀表(biao)系數、線性(xing)度、不确定(dìng)度.流量下(xià)限)進行了(le)大🔴量試驗(yàn)研究。試驗(yan)結果表明(míng),不同密度(du)下渦街流(liú)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(liú)量計儀表(biǎo)系數幾乎(hū)不受流體(tǐ)密度變化(hua)的影響;并(bing)發現渦街(jiē)流量計的(de)流🥰量下限(xiàn)随着介質(zhì)密度的增(zēng)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(li)用流體振(zhen)動原理來(lái)進❌行✌️流.量(liang)測量的振(zhèn)動式流量(liang)計,廣泛應(ying)用于測量(liàng)和工業過(guò)程控制領(lǐng)域中。但曆(li)史較短,理(li)論基礎和(hé)實踐經驗(yàn)不足,還有(yǒu)許多工作(zuo)需要探索(suǒ)🙇🏻、充實.
　　渦街(jiē)流量計流(liú)量方程經(jīng)常引用卡(kǎ)曼渦街理(lǐ)論,進而得(de)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(duì)被測流體(tǐ)溫度、壓力(lì)、密📐度、粘度(dù)和組分變(biàn)化不敏感(gǎn)的特點田(tian)實際應用(yòng)中,現場工(gōng)作條🐆件的(de)變化💋到底(di)會對🏃渦街(jie)流量計測(ce)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(zhan)度對渦街(jiē)流量計線(xian)性度☔的影(ying)響,繪出不(bu)同粘度對(duì)渦街🏃‍♀️線性(xing)度的校正(zhèng)曲線。中提(ti)到通過氣(qì)體不同工(gōng)作壓力下(xià)的試驗驗(yan)證了渦街(jie)流量計不(bú)随介質密(mì)度變化的(de)結論,但是(shi)并未✏️給出(chu)具體試驗(yan)🏃‍♂️數據。本文(wén)采用試驗(yan)方法,利用(yong)正壓法音(yin)速噴嘴氣(qi)體流量标(biāo)準裝置🍓,在(zai)不同介質(zhì)密度下對(duì)渦街流量(liàng)計的📐流量(liang)特性進行(hang)對比研究(jiu),得到儀表(biǎo)系數和流(liu)量下限随(suí)密度變化(huà)曲線和趨(qu)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(tu)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(da)到一定值(zhí)時,在旋渦(wo)發生體兩(liǎng)側會交替(tì)地産生有(yǒu)規則的旋(xuán)渦，這種旋(xuan)渦稱爲卡(kǎ)曼渦街。
 
　　式(shì)中:U1爲旋渦(wō)發生體兩(liang)側平均流(liu)速;U爲被測(cè)介質來流(liú)✔️的平均流(liú)‼️速;Sr爲斯特(te)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(wei).旋渦發生(shēng)體兩側弓(gōng)形面積與(yǔ)管道橫截(jié)面面積之(zhī)比。
　　流體在(zai)産生旋渦(wō)的同時還(hái)受到一個(gè)垂直方向(xiang)上.力🔞的作(zuò)用,根據湯(tang)姆生定律(lǜ)和庫塔一(yi)儒可夫斯(si)基升力定(ding)理✔️,設作用(yòng)在旋渦發(fā)生體每單(dān)位長度上(shang)的升力爲(wei)Fl,有:
 
　　式中:CL爲(wèi)升力系數(shu);ρ爲流體密(mi)度。
　　由于交(jiāo)替地作用(yòng)在發生體(ti)上升力的(de)頻率就是(shì)旋渦的脫(tuo)落頻率,通(tōng)過壓電探(tàn)頭對FL變化(huà)頻率的檢(jiǎn)測,即可得(dé)到ƒ,再由🥰式(shì)(1)可得體積(jī)流量qv;
 
　　式中(zhōng):K爲渦街流(liú)量計的儀(yí)表系數。
　　從(cóng)式(3)、(4)可以看(kan)出,對于确(què)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(zhī)與流速U和(he)旋渦發生(sheng)體的幾何(hé)參數有🍓關(guān),且與被測(cè)流體的物(wù)性和組分(fèn)無關，因此(ci)可以♍得出(chu)渦街流量(liang)🔞計不受流(liu)體溫度、壓(ya)力、密度、粘(zhān)度、組分因(yīn)素的影響(xiang)。本文研究(jiū)在複雜的(de)現場環境(jing)下,工作壓(yā)力的增加(jia)、介🛀🏻質密度(dù)的變化對(duì)渦街流量(liang)計測量産(chǎn)生的影響(xiǎng)。
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(dào),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(liu)道。當氣體(ti)通過噴嘴(zuǐ)時,喉部的(de)氣體流速(sù)将随着節(jie)流壓力比(bi)減小而增(zeng)大。當節流(liú)壓力比小(xiao)到-.定值時(shí)，喉部流速(su)達到最大(da)流速一音(yīn)速。此時若(ruo)再減小節(jiē)流壓力比(bi),流速(流量(liang))将保持📱音(yīn)速不變，不(bú)再受下遊(you)壓力的影(yǐng)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(zui)稱爲音速(sù)噴嘴,流量(liang)👉方程式爲(wei):
 
　　式中:qm爲流(liú)過噴嘴的(de)質量流量(liàng);An爲音速噴(pēn)嘴喉部面(mian)積;C爲流出(chū)㊙️系數;C.爲臨(lín)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(rén)口處滞止(zhi)絕對溫度(dù);R爲通用氣(qi)體常數;M爲(wèi)氣體千摩(mo)爾質量。
　　從(cóng)式(5)可以看(kàn)出,一種喉(hou)徑的噴嘴(zuǐ)隻有一個(gè)臨界流量(liang)值，噴嘴入(rù)口的滯止(zhǐ)壓力和滞(zhi)止溫度不(bu)變時,通過(guò)噴嘴的流(liú)量🏃‍♂️也不變(bian),正是由于(yu)此特性使(shi)音速噴💜嘴(zuǐ)作爲标準(zhun)件廣泛應(yīng)用于氣㊙️體(tǐ)流量标準(zhǔn)裝置中🤩。
3.2音(yin)速噴嘴氣(qì)體流量标(biāo)準裝置
　　音(yīn)速噴嘴氣(qi)體流量标(biao)準裝置按(an)照氣源壓(yā)力不同分(fen)爲正壓法(fa)和負壓法(fǎ)兩種。
　　正壓(yā)法裝置通(tōng)過改變噴(pen)嘴人口的(de)滞止壓力(li)改變流過(guò)噴嘴的氣(qì)體流量,用(yòng)較少的噴(pēn)嘴實現較(jiao)寬的流量(liàng)🍉範圍,而且(qiě)較高而可(kě)變的氣源(yuan)壓力可以(yi)使其⭐工作(zuo)在🚶‍♀️正壓(絕(jué)壓0.2MPa以上)狀(zhuàng)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(néng)力,可用于(yu)研究氣體(ti)密度變化(huà)對于流量(liang)儀表性能(néng)的影響。
　　本(ben)文試驗裝(zhuāng)置采用正(zhèng)壓法,工作(zuo)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(yuán)理是:首先(xian)由空壓機(jī)将大氣中(zhōng)的空氣送(song)人管道，經(jīng)冷幹機除(chu)去水氣後(hou)打人高壓(yā)儲氣💛罐中(zhong),待儲氣罐(guàn)壓力升高(gao)到-定值之(zhi)後,調節穩(wěn)壓閥使其(qi)下遊管道(dào)壓力穩定(dìng)👉在合适值(zhi),經穩壓閥(fá)調節後進(jin)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(yīn)速噴嘴組(zu)、彙氣管、消(xiao)音器後,最(zui)終通向大(dà)氣。其中，音(yīn)👌速噴嘴組(zǔ)由安裝☁️在(zài)滞止容器(qì)下遊的11個(ge)不同喉徑(jìng)音速噴嘴(zui)并聯而成(cheng),通過控制(zhi)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(he)方式,以達(dá)到改變被(bèi)測儀表流(liu)量的目的(de)。通過對滞(zhì)止容器🐇上(shang)溫💃度變送(song)器T、壓力變(biàn)送器P1信❤️号(hao)采集,代人(rén)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(liu)量計處的(de)質量流量(liàng)。通過測量(liang)渦街流量(liàng)計處✔️的溫(wen)度T和壓力(lì)P,可以計🈚算(suàn)出工作狀(zhuang)态下📱空氣(qì)密度,進而(er)得到實際(ji)體積流量(liàng)。再根據相(xiang)同時間❗間(jian)隔内渦街(jiē)流量計輸(shū)出脈沖的(de)檢測，可最(zui)終實現對(duì)渦街流量(liàng)計儀表系(xì)數等流🈚量(liàng)特性的研(yán)究。
　　上述全(quán)部工作過(guo)程均由計(ji)算機系統(tǒng)實時控制(zhì)和處理。經(jing)🎯過分析和(he)測試，試驗(yan)裝置精度(dù)爲0.5級。
 
4流量(liang)特性試驗(yan)研究
4.1試驗(yàn)方案
　　在正(zheng)壓法音速(su)噴嘴氣體(ti)流量标準(zhun)裝置上,通(tong)過調節滞(zhi)止壓力來(lai)改變介質(zhì)密度,在4個(ge)不同介質(zhi)密度💃條件(jian)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(liǎng)方面考察(chá)介質密度(dù)變化對渦(wō)街流量計(ji)流量🥰特性(xìng)的影響:
(1)考(kao)察渦街流(liu)量計儀表(biǎo)系數受密(mi)度變化影(ying)響程度♻️,驗(yàn)證卡曼渦(wo)‼️街理論;
(2)考(kǎo)察渦街流(liú)量計測量(liang)下限随密(mi)度改變的(de)變化趨👨‍❤️‍👨勢(shi),從理論角(jiǎo)度給予解(jiě)釋。
4.2試驗數(shù)據及分析(xi)
　　爲了保證(zhèng)音速噴嘴(zuǐ)在喉部達(dá)到音速,并(bing)結合穩壓(ya)閥的調壓(yā)範圍，試驗(yan)選擇在表(biao)壓0.13MPa、0.2MPa、0.3MPa.0.4MPa下進行(hang),對應空氣(qì)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(chǔ)氣罐的容(róng)量有限(12m³),爲(wei)避免當流(liu)量大時管(guan)道内壓力(lì)⭕下降迅速(su)，試驗最大(da)流量點選(xuan)擇在176m³/h(對應(ying)流速爲25m/s);最(zuì)小流量點(dian)即流量下(xia)🐪限正是本(běn)文要研究(jiu)的流量特(te)性之一，由(you)試驗結果(guo)🈲而定。試驗(yàn)嚴格按照(zhao)國家計量(liàng)檢定規程(chéng)進行,在每(měi)個介質密(mi)度下整個(ge)流量範圍(wéi)内壓力變(biàn)化不超過(guò)✊1kPa,在每個流(liu)量點的每(mei)一次檢定(dìng)過程中,壓(ya)🏃🏻縮空氣溫(wen)度變化不(bú)超過0.5℃
　　根據(ju)試驗得到(dao)的數據,可(kě)繪制出如(rú)圖3不同空(kong)氣密度下(xià)渦街儀表(biǎo)系數随流(liú)量變化曲(qu)線,并得到(dào)渦街🤟流量(liang)計的流量(liàng)特性見表(biao)🌍1。
 
　　式中:(Ki)max、(Ki)min爲各(gè)流量點系(xi)數Ki中最大(da)值、最小值(zhi);Kij爲第i個流(liú)🏃🏻量點第j次(ci)儀表系數(shù)值;Ki爲.第i個(gè)流量點的(de)平均儀表(biao)系數🆚。
　　從圖(tú)3和表1可總(zong)結出以下(xia)幾點結論(lun):(1)不同密度(dù)下渦街各(ge)點儀表系(xì)數随流量(liang)變化曲線(xiàn)K-qv具有很好(hao)的相似性(xìng)。小流量下(xia)K值波動較(jiào)大,在流量(liang)點22m³/h處達到(dao)峰值,之後(hou)K值趨于常(cháng)數且随着(zhe)密度的增(zēng)大穩定性(xìng)愈好,這是(shì)因爲♍,影響(xiǎng)渦街儀表(biǎo)系數的斯(si)特勞哈爾(ěr)數Sr是💯雷諾(nuo)數Re的函數(shù),而Re的定義(yi)爲:
 
　　式中:μ爲(wei)動力粘度(dù)。在流速U相(xiàng)同情況下(xià)，ρ變大時Re也(yě)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(jiè)質密度的(de)增大穩定(ding)性愈好。
(2)随(suí)着介質密(mì)度的增大(da),渦街流量(liang)計儀表系(xì)數變化很(hen)🏃🏻‍♂️小💰，最大相(xiàng)對誤差爲(wei):
 
　　因而驗證(zheng)了卡曼渦(wo)街理論得(dé)出的渦街(jie)流量計幾(ji)乎不受🈲流(liú)🚶體密度變(bian)化影響的(de)特點,非常(chang)适合于氣(qì)㊙️體流量測(cè)量。
(3)随着介(jie)質密度的(de)增大，渦街(jie)流量計不(bu)确定度和(he)線性度基(ji)本🔱不變,渦(wō)街流量計(jì)精度爲1.5級(ji),且不受流(liú)體密度變(biàn)化影響。
(4)随(sui)着介質密(mi)度的增大(da),渦街流量(liang)計流量下(xia)限降低,量(liang)程擴大。這(zhe)是因爲,由(you)公式(2)可知(zhi),作用在旋(xuán)渦發生體(tǐ)上的升力(lì)FL與被測🐕流(liú)體💞的密度(du)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(ying)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(chéng)可表示爲(wèi)下式:
 
　　式中(zhong)α爲常數,可(ke)見流量下(xia)限qvmin與相應(ying)狀态下空(kōng)氣密度平(píng)方👨‍❤️‍👨根的㊙️倒(dǎo)數即ρmin-1/2成正(zheng)比,這就是(shi)渦街流量(liang)計流量下(xia)限随介質(zhi)密度增大(dà)而降低現(xiàn)象出現的(de)理論分析(xi)。結🐆合表1中(zhong)實際數據(ju),繪出qvmin~ρmin-1/2曲線(xian),見圖4。
 
　　由圖(tu)4可見,試驗(yan)得到的qvmin~ρmin-1/2曲(qu)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(mi)度爲4.782kg/m³點處(chu)誤差較大(da),這是🧑🏽‍🤝‍🧑🏻由于(yu)音速噴嘴(zuǐ)㊙️标準裝置(zhi)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(diǎn))。
5結論
(1)随着(zhe)介質密度(du)的增大,渦(wo)街流量計(jì)儀表系數(shù)變化🍓很小(xiao)，最大相對(dui)誤差僅爲(wei)0.405%,驗證了渦(wō)街流量計(ji)幾乎不受(shou)流體密度(du)變化的影(ying)響。
(2)随着介(jiè)質密度的(de)增大,渦街(jiē)流量計流(liu)量下限降(jiàng)低,量程擴(kuò)大,根據作(zuò)用在旋渦(wo)發生體上(shang)的升力公(gong):式對此現(xiàn)象進行了(le)理論分析(xī)。

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