1　引　言
1. 1　轉(浮)子流量(liàng)計的特點及其應(ying)用
　　轉(浮)子流量計(ji)是常用的氣體流(liu)量測量設備,具有(yǒu)結構簡單、使用維(wéi)護方便、對儀表前(qian)後直管段長度要(yào)求不高、壓力損失(shi)小且恒定📱、測量範(fan)圍比較寬、工作可(ke)靠、适用性🌂廣等特(te)點,但是其流量特(te)性易受流體粘度(du)、密度等影響。就是(shi)😄說,同一隻轉(浮)子(zi)流量計,用于不同(tóng)介質條件下的同(tóng)一體積流量測量(liang)時,可能得到不同(tóng)的測量結果,由此(cǐ)便造成測量誤差(chà)。
　　氣體轉(浮)子流量(liàng)計出廠時的刻度(dù)一般是用空氣标(biāo)定給出的[1]。因此,當(dāng)用其🌂測量其👉他氣(qì)體介質流量時,必(bi)須對儀表刻度進(jìn)行合理修正。對此(ci)，文中🥵給出了介質(zhi)粘度相近而密度(dù)不同時的流量修(xiu)🛀🏻正公式,作爲進行(hang)不同介質間流量(liang)換算方法的參考(kao)。公式并不複雜,但(dàn)是真要🈲做到深入(ru)地理解公式的背(bei)景以及靈活掌握(wò)其應用場合,卻并(bìng)㊙️不🌈簡單。
1. 2　問題的提(tí)出
　　航天型号工程(chéng)上經常使用氦氣(qì)這種自然界中密(mi)度最小的惰性氣(qi)體。在評價某些部(bù)件的性能指标時(shi),需要使☁️用轉(浮)子(zǐ)流量計測量氦氣(qi)流量。
　　在轉(浮)子流(liú)量計氦氣流量的(de)校準問題上,一些(xiē)觀點💞主張用空氣(qì)檢定,然後按文獻(xian)[ 2]的方法将空氣流(liú)量值👉換算成氦👈氣(qì)的💁流量值。然而,當(dang)我們分别用空氣(qì)和氦氣兩種🌂介質(zhì)對轉(浮)子流量計(ji)進行檢定/校準後(hou)發現,按該方法對(duì)空氣流量刻度修(xiu)🏃正後得到的氦氣(qì)理論計算結果與(yu)實際氦氣流量相(xiàng)差很大。
　　爲了說明(ming)該問題,我們選擇(ze)型号爲LZB -10的氣體轉(zhuan)子流量計,先用空(kōng)氣檢定,其空氣刻(ke)度流量示值合格(ge),然🧡後再用氦氣介(jiè)質對其五個刻度(dù)點進行氦氣流量(liang)校準,将同一刻度(dù)下所得氦氣流量(liang)實測值和空氣流(liu)量刻度♈值、單純密(mi)🌏度修正後的氦氣(qì)流🌐量計算值💔以及(jí)文獻[ 2]修正方法中(zhong)的理論密度修正(zheng)系數和實際綜合(hé)修正系數進行比(bi)較後,得到表1中的(de)數據。

從表1可看出(chū):
a)實際氦氣流量與(yǔ)空氣流量并不遵(zūn)循文獻[ 2]所述的♍單(dan)純密度修☀️正關系(xi)(即:實際綜合修正(zhèng)系數并不等☔于理(lǐ)論密👈度修正系數(shù));
b)實際綜合修正系(xì)數小于理論密度(du)修正系數,即:實際(jì)氦氣流量小于單(dan)純密度修正後得(de)到的理論氦氣流(liu)量;
c)理論密度修正(zheng)系數是常數,與流(liú)量無關,而實際綜(zōng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼合修正系數與流(liú)量有關,并随着流(liu)量的減小而減⛹🏻‍♀️小(xiǎo)。
　　爲什麽會出現上(shang)述現象理論數據(ju)與實驗結果間的(de)📧不一💰緻性究竟說(shuo)明了什麽問題能(néng)否在理論上解釋(shì)得通所有🙇🏻這些就(jiu)是本文重點要探(tan)讨的問題。其實,這(zhe)也是對氣體轉(浮(fu))子流量計流量特(tè)性的介質相關性(xìng)原理及其流量修(xiū)正方法适用性問(wen)題的深入理解和(he)重新認識。這一點(dian)非常重🈲要,因爲隻(zhī)有這樣,才能真正(zhèng)做到理論與實踐(jian)的統一,确保量值(zhí)傳遞的正确性。
想(xiǎng)要弄清楚提出的(de)上述問題,需首先(xian)從轉(浮)子流💃量計(ji)的結構及工作原(yuán)理說起。
2　轉(浮)子流(liu)量計的結構及工(gōng)作原理簡述[ 3,4]
　　轉(浮(fú))子流量計主要由(you)錐管、浮子和支撐(cheng)連接結構組成。流(liu)量标☎️尺直接刻在(zài)錐管上,标示了浮(fu)子高度與被測介(jiè)㊙️質流量間的一一(yi)對應關系。圖1爲其(qí)工作原理示♋意圖(tu)。

　　在一垂直(zhi)錐形管中放有浮(fu)子,當流體自下而(ér)上流☀️過時,依據伯(bó)努利方程,浮子前(qián)後會形成差壓,此(ci)差壓形成一個使(shi)浮子♊上升的力F。當(dang)F大于浸在流體内(nèi)浮子的重力Wf時,浮(fu)子上升。随着浮子(zǐ)的上升,浮子最大(da)外徑與錐形管之(zhi)🌈間的環形面積逐(zhú)漸增大。在流📱量保(bao)持不變的情況下(xià),流🔴速逐漸減小,于(yu)是F也逐漸減小,直(zhí)到F和Wf相等時,浮子(zǐ)就穩定在某一高(gāo)度。同時,考慮到實(shi)際流動情況和💛理(lǐ)想狀态間的差異(yi),可得到F和流體密(mi)度ρ、流速v、浮子最大(dà)橫截面積a間的關(guan)系爲

式中:Cd———阻力系(xì)數,由校準實驗獲(huò)得,與浮子形狀、流(liú)體流動狀态、流體(tǐ)的物理性能有關(guān)。

式中:Vf———浮子體積,m3;ρf———浮(fú)子材料密度,kg /m3;g———重力(li)加速度,m /s2。
由式(1)與式(shì)(2)相等的關系,我們(men)可以得到流量Q的(de)計算公式爲

式中(zhong):C———流量系數;A———錐管管(guǎn)路截面積,m3。
對于氣(qi)體介質來說,ρ遠小(xiao)于ρf,于是上式便簡(jian)化爲式(4),此即氣體(ti)轉(浮)子流量計的(de)流量測量原理。

3　轉(zhuan)(浮)子流量計流量(liang)特性的介質相關(guān)性修正
　　對于某一(yi)特定流量計,式(4)中(zhong)的A,a,Vf、ρf等與流量計結(jié)構或📐浮子🏃‍♀️材⛷️料有(you)關的參數便已确(que)定,同時注意到,公(gong)式中還有流量系(xì)數C、密度ρ兩個參數(shu)與被測流體有關(guān)。隻要選定了流體(tǐ)介質,通過刻㊙️度标(biao)定或流量校準實(shí)驗便可爲該流量(liàng)計定标或🤩确定浮(fu)子高度與實♌際流(liú)量間的對應關系(xì)。因此,某一特定轉(zhuan)(浮)子流量計出廠(chang)時錐形管上均标(biao)明了現有刻度适(shi)用的介質種類,當(dang)其用于不同于刻(kè)度适用介質的其(qí)他介質流量測量(liang)時,須對刻度進行(hang)合理修正。由以上(shang)分析知,轉(浮)子流(liú)量計流🛀🏻量特性的(de)介質相關性✉️修正(zhèng)✔️應包括密度的修(xiū)正和流🔆量系數的(de)修正,而流量系數(shu)又與流體粘度有(you)關,因⭐此流量系數(shù)修正有時也稱粘(zhan)🔞度修正。
3. 1　密度修正(zheng)
　　密度的修正就是(shi)文獻[2]中提到的修(xiu)正方法,比較簡單(dan):設刻㊙️度介質的流(liú)量爲Q0、密度爲ρ0,被測(ce)流體的流量爲Q1、密(mi)🔅度爲ρ1,則依🥰據式(4),可(kě)得到流量對密度(dù)的修正公式爲

　　由(yóu)此可見,流量與密(mi)度的平方根成反(fǎn)比,此即轉(浮)子流(liú)量計的密度修正(zhèng)原則。
3. 2　流量系數修(xiū)正
　　對于流量系數(shu)C的修正,則比較複(fú)雜。在理想情況下(xia)🌈(假設流體爲理想(xiang)流體,完全沒有粘(zhan)性;假設流動爲理(li)想流動,完全沒有(yǒu)能量損失),C是恒等(deng)于1的常數。然而,實(shí)際應用中不可能(néng)出現上述絕對理(lǐ)想的狀态。
　　實,對于(yú)某一特定流量計(jì),流量系數可表示(shi)爲雷諾數Re的函⭐數(shu)[4],而雷諾數表征流(liu)體流動時慣性力(li)與粘性力之比的(de)無量綱🌈數[5],由📱式(6)定(ding)義

式中: υ———流動截面(miàn)的平均流速,m /s;L———流體(tǐ)的特征長度,m;ν———流體(tǐ)的運動粘度,m2 /s。
　　雷諾(nuò)數是流量計量中(zhōng)一個重要的參數(shu)。當外部幾何條件(jiàn)相似,雷諾數相同(tong)時,流體流動狀态(tai)也幾何相似,這就(jiu)是流✂️體力學的相(xiang)似原理。
　　可見,流體(ti)粘度對流量系數(shù)(或流量)的影響在(zai)雷諾㊙️數中📐得到了(le)體現。
　　在流體力學(xue)中,流體的粘度有(you)兩個不同的表述(shu)術語,很容易使人(rén)混淆,一個是動力(lì)粘度μ,另一個就是(shi)式(6)中❤️的運動粘度(du)ν,二者與流體的密(mì)度ρ間的關系見式(shì)(7)。

　　根據雷諾數的定(ding)義可知,流體運動(dong)粘度ν越大,雷諾數(shu)Re就越小,表✉️明粘性(xìng)力對流體流動的(de)影響較慣性力對(duì)🔱流體♉運動的影響(xiǎng)越顯著,流體介質(zhi)粘性對流量的影(ying)響就越不能忽♌略(lue);反之,流體運動粘(zhan)度ν越小⛹🏻‍♀️,雷諾數Re就(jiù)📐越大,表明粘性力(lì)對流體流動的影(yǐng)響較慣性力對流(liu)體運動的影響越(yuè)不顯著。由此可得(dé)出結論:流體粘性(xing)㊙️對流量的影響程(cheng)度應以運動粘度(du)ν作爲判據,而不應(ying)🈲以動力粘度μ作爲(wei)判據。這一點很重(zhong)✏️要,它對于氣體轉(zhuǎn)子流量計的計量(liàng)檢♈定工作具有指(zhi)導意⚽義,如果以動(dòng)力粘度作爲判據(ju),則可能會🔴得出不(bu)符合實際🌈的結果(guo),因爲動力粘度🍓相(xiang)近的氣體,其運動(dong)粘度則可能相去(qu)甚遠。以空氣和氦(hai)氣爲👨‍❤️‍👨例,在标準狀(zhuang)态下,空氣和氦氣(qì)的動力粘度分别(bie)爲[6]:1. 81×10-5Pa? s,1. 97× 10-5Pa? s,應該說很接近(jìn),但由于二者的密(mì)度相差很大,分别(bie)爲:1. 205 kg /m3,0. 1663 kg /m3,導緻二者的運(yun)動粘度也相差很(hěn)🔴大,分别爲:1. 502× 10-5m2 /s和11. 85× 10-5m2 /s。
　　對于(yu)不同的流量計,由(yóu)于結構本身及浮(fú)子形狀的不💋同,流(liu)🚩量系數C與雷諾數(shu)Re的關系也不盡相(xiàng)同,我們很難找到(dào)一個通用的理論(lun)公式進行表述,一(yi)般通♉過大量🈲實驗(yan)數據以曲線的形(xíng)式描繪二者的特(te)定關系。在這方面(mian),日本學者也進行(háng)了比較深入地研(yán)究,其中,文獻[4]也給(gěi)出了不同浮子形(xing)狀的流量計,其❌流(liú)量系數C與雷諾數(shù)Re的關系曲線,見圖(tú)2。
　　從圖中看出,對于(yu)具有确定浮子形(xing)狀的轉(浮)子流量(liàng)計,如❤️果氣體介質(zhi)的運動粘度足夠(gòu)的小,緻使雷諾數(shu)Re大到一定數值後(hòu),其流量系數C便基(ji)本保持不變。因此(cǐ),在該區⛷️域(暫且🈲稱(cheng)之爲線性區域),不(bu)需要進行粘度修(xiu)👨‍❤️‍👨正(或稱流量系數(shu)修正),隻需進行密(mi)度修正就可以了(le)。可是,對于氦氣來(lai)講,由于其運動粘(zhān)度🥵相對空氣大很(hěn)👄多,導緻其雷諾數(shù)與空氣的雷諾數(shù)也相差很❄️大,于是(shì)出廠時隻用空氣(qi)标定過的流量❌計(jì),在用于氦氣流量(liàng)測量時,不一定工(gōng)作在線性區域内(nèi),二者🔱的流量系數(shu)可能會發生差異(yi),而且🈲測氦🏒氣流量(liang)時的流量系數較(jiao)空氣時小。很顯然(rán),這就解釋了本文(wén)引言中引出的a和(hé)b兩個現象:對氦氣(qì)流量🈲進行單純密(mi)度修正是不🌈科學(xue)的,即綜合修正系(xì)數實際包含😘了密(mi)度修正和流量系(xì)數修🌈正⭐;氦氣實際(jì)流量比隻做密度(dù)修正得到的理論(lun)換算流量小。

　　此外,結構形狀(zhuang)已确定的浮子的(de)邊緣厚度在不同(tóng)介質運動粘度條(tiáo)件下對流量系數(shu)的影響[4],見圖3。

　　圖中,橫坐标(biāo)爲流量計錐管直(zhí)徑D和浮子直徑d之(zhī)比,即表示♊浮子的(de)高度位置或流量(liàng)刻度。圖中按運動(dòng)粘度的不同給出(chu)了兩組流量系數(shù)曲線,上面一組㊙️爲(wèi)1Cst(Cst爲運動粘度單位(wèi),1Cst= 10-6m2 /s)時的曲線,下面一(yi)組爲56Cst時的曲📧線。從(cong)圖中可看出兩個(ge)現象:
●在浮子形狀(zhuàng)結構确定了的情(qing)況下,流量系數與(yǔ)流體運動粘度有(yǒu)關,運動粘度越大(dà),則流量系數越小(xiao);
●一般情況下,同一(yī)流量計的不同流(liú)量刻度位置,流🔱量(liang)系數❓也可能不同(tong)。流量越小,系數也(ye)越小。不過,對于較(jiao)小運動粘🈚度的流(liu)體,流量系數與流(liu)量刻度位置的相(xiàng)關性越🥵小;流量系(xì)數與刻度位置的(de)相關程度,還取決(jué)于浮子形狀。
該圖(tu)還進一步旁證了(le)以下兩個現象:
●流(liú)體粘性對流量的(de)影響程度應以運(yun)動粘度ν作爲判據(ju),而🐉不應以動力粘(zhan)度μ作爲判據;
●對于(yú)氦氣流量來說,對(dui)空氣流量刻度的(de)實際綜合修正系(xi)💔數與流量有關,并(bing)随着流量的減小(xiǎo)而減小🛀🏻。此即對本(běn)文引🈲言中引出的(de)c)現象的解釋。
4　結論(lun)
　　總結前面的理論(lun)分析和實驗數據(jù),結合實際工作經(jing)驗,對于🐅氣體轉(浮(fu))子流量計的介質(zhì)相關性問題,我們(men)有以下幾點理解(jie)與🈲讀者分享,而這(zhè)幾點卻往往是轉(zhuǎn)子流量💁計校準工(gōng)作中容易被忽視(shì)的地方:
●轉(浮)子流(liu)量計流量特性的(de)介質相關性體現(xian)在兩㊙️個方面:密度(dù)相關和運動粘度(du)相關。分别對應不(bu)同氣體介質流量(liang)間的密度🔴修正(換(huàn)算)和流量系數修(xiu)正(換算),隻是在⁉️滿(man)足一定條件的前(qián)提🈲下,可隻進行密(mì)度修正🍓(換算);
●應正(zhèng)确理解文獻[ 2]的密(mi)度修正方法中提(tí)到的粘度相近原(yuan)則。由于流體粘度(du)有動力粘度和運(yun)動粘度📞之分,因而(er)在此相近原則的(de)理解上容易産生(sheng)歧義。事實上,同一(yī)隻流量計,用于測(ce)😄量不同🚶氣體介質(zhì)流量時,其流量系(xì)數的不同源于介(jie)質運動💛粘度的差(cha)異,而不是動🏃力粘(zhan)度的差異。因此,應(yīng)以🌐二者運動粘度(du)的相近程度來作(zuo)爲是否隻進行密(mi)度修正💋的判據,而(er)不應以動力㊙️粘度(dù)作🔱爲判據,否則,便(bian)有失科學🤟性。比如(rú):動力粘度相近而(ér)運動粘度相遠🐉的(de)氦氣和空氣流量(liang)間的關系就是一(yī)個活生生的例子(zi)。
　　對于與空氣運動(dong)粘度差别很大的(de)氣體介質(如:氦氣(qì)),當然不能隻進行(hang)密度修正。但是由(yóu)于流量計整體結(jie)構及浮子形狀的(de)千差萬别,流量系(xì)數(或粘度)的修正(zhèng)👉,很難像密度修✌️正(zheng)那樣☀️找到一個合(he)适的理論公式。在(zài)此情形下,用實際(ji)工作介質對流量(liàng)計刻度的重新校(xiào)準是一種科學的(de)選擇,因爲這樣就(jiu)可以直接得到工(gōng)🚶‍♀️作介質的真實流(liu)量,而不必再進行(hang)理論換算。
5　結束語(yu)
　　轉(浮)子流量計結(jié)構雖然很簡單,其(qí)在流量測量中的(de)🔴應用也很常見,然(rán)而,由于流量計量(liàng)特性的介質屬性(xing)相關性以及流體(ti)物理性質的千差(cha)萬别,注定了流量(liàng)⭕計量技術的複雜(zá)性,尤其是氣♻️體介(jie)質比較🌈顯著的可(kě)壓縮性及熱膨脹(zhang)性,則更加大了氣(qi)體流量校準難度(du)。
　　以上隻是我們實(shi)際工作中獲得的(de)一些粗淺經驗和(he)🌈思考,有關轉(浮)子(zi)流量計氦氣流量(liang)特性的更加深入(ru)地探索工作,有㊙️待(dai)衆多的流量計量(liang)科研工作者的共(gong)同努力。

以上内容(rong)來源于網絡，如有(yǒu)侵權請聯系即删(shan)除!