摘要:利用(yòng)正壓法音速噴(pēn)嘴氣體流量标(biāo)準裝置,通過調(diao)節試驗管道中(zhōng)介質的工作壓(yā)力(0.23~0.5MPa)來改變介質(zhi)密度㊙️,分别在空(kōng)氣密度爲🌐2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3、5.987kg/m3四種(zhǒng)情況下對50mm口徑(jing)氣體渦街流量(liàng)計 的流量特性(xìng)(儀表系數、線性(xìng)度、不确定度.流(liu)量下限)進🙇‍♀️行了(le)大量試驗研究(jiū)。試驗結果表明(míng),不同密度下 渦(wo)街流量計 儀表(biǎo)系數的最大相(xiàng)對誤差0.405%,驗證了(le)渦街流量計儀(yi)☀️表系數幾乎不(bú)受流體密度變(bian)化的影響;并發(fa)現渦🔞街流量計(ji)的流量下限随(suí)着介質密度的(de)增大而向下延(yán)伸,對此現🌏象進(jin)行了分析⭐。
1引言(yan)
　　渦街流量計是(shi)一種利用流體(ti)振動原理來進(jìn)行流量測量的(de)👨‍❤️‍👨振動式流量計(ji),廣泛應用于測(ce)量和工業過程(chéng)控制領域🙇‍♀️中。但(dan)曆史較短,理論(lùn)基礎和實踐經(jing)😄驗不足,還有許(xǔ)💛多工作⭐需要探(tàn)索、充實1.21渦街流(liu)量計✨最基本的(de)流量方程經常(chang)引用卡曼渦街(jie)理論，進而得出(chu)渦街流量計旋(xuan)渦分離的頻率(lǜ)僅與.流體工作(zuo)狀态下的體積(jī)流量成正比,而(er)對被測流體溫(wen)度、壓㊙️力、密度、粘(zhan)度和組分變化(hua)不敏感的特點(diǎn)。實際應用中💃🏻,現(xian)場工作條件的(de)🏒變化到底會對(dui)渦街流量計測(cè)量帶來多☂️大的(de)附加誤差尚不(bú)✂️明确。SophieGoujon-Durand研究了流(liú)體粘🌈度對渦街(jie)流量計線性度(du)的影響,繪出不(bú)同粘度對渦街(jiē)線性度的校正(zheng)曲線[4]”。通過氣體(ti)不同工作壓力(lì)下的試驗驗證(zheng)了渦街流量計(jì)不随介質密度(dù)變化的結論，但(dàn)♊是并未給出具(ju)體試驗數據。本(běn)文采用試驗方(fang)法,利用正壓法(fa)音速噴嘴氣體(tǐ)流量标準裝置(zhi),在不同介質密(mi)度下對渦街流(liu)🏃‍♂️量計的流量特(tè)性進行對比研(yan)究，得到儀表系(xì)數和流量下限(xiàn)随密度變化曲(qu)線和趨勢,并對(duì)試驗結果✉️進行(hang)分析解✂️釋。
2渦街(jie)流量計工作原(yuán)理
　　如圖1所示，管(guan)道中垂直插人(rén)一梯形柱狀旋(xuán)渦.發生體,随着(zhe)流體流動,當管(guǎn)道雷諾數達到(dào)一定值時,在旋(xuán)渦發生體兩側(ce)會交替地産生(sheng)有規則的旋渦(wō),這種旋渦稱爲(wei)卡曼渦街。

設旋渦(wo)發生頻率爲，f,旋(xuán)渦發生體迎流(liú)面寬度爲d,表體(ti)通💜徑爲D,根據卡(kǎ)曼渦街原理，可(ke)知:

　　式中:U1爲旋渦(wo)發生體兩側平(ping)均流速;U爲被測(cè)介質來💛流的平(ping)均流速;Sr爲斯特(te)勞哈爾數,對一(yī)定形狀的旋渦(wo)發生體在一定(ding)雷諾數範圍内(nei)爲常數;m爲旋渦(wō)發🔅生體兩側弓(gong)形面積與管道(dào)橫👌截面面積之(zhī)比。
　　流體在産生(shēng)旋渦的同時還(hai)受到一個垂直(zhí)方向上力💚的作(zuò)用✏️,根據湯姆生(sheng)定律和庫塔一(yī)-儒可夫斯基🛀升(sheng)力💃🏻定理,設作用(yòng)在旋渦🔆發生體(tǐ)每單位長度上(shang)的升力爲FL有:

式(shi)中:cL爲升力系數(shù);ρ爲流體密度。
　　由(you)于交替地作用(yong)在發生體.上升(sheng)力的頻率就是(shi)旋渦的脫落頻(pín)率,通過壓電探(tan)頭對FL變化頻率(lǜ)的檢測，即可得(dé)到🧑🏾‍🤝‍🧑🏼?再由式(1)可得(dé)體積流量qv:

式中(zhōng):K爲渦街流量計(jì)的儀表系數。
　　從(cong)式(3)、(4)可以看出,對(dui)于确定的D和d,流(liu)體的體積流量(liang)qv與旋渦頻率🐆?成(cheng)正比,而?隻與流(liú)速U和旋渦發生(shēng)體的幾何參數(shù)有關,且與被測(ce)流體的物性和(hé)組分無關，因此(ci)可以🎯得出渦街(jiē)流量計不受流(liu)體溫⚽度、壓力、密(mi)度、粘度、組分因(yīn)素的影響。本文(wen)研究在複雜的(de)現場環境下,工(gōng)作壓🈲力的增加(jiā)、介質密度的變(biàn)化對渦街流量(liang)計測量産❄️生🔅的(de)影響。
3試驗裝置(zhì)
3.1音速噴嘴工作(zuò)原理
　　文丘利噴(pen)嘴是個孔徑逐(zhú)漸減小的流道(dao),孔徑最小✌️的部(bu)分稱爲噴嘴的(de)喉部,喉部的後(hou)面有孔徑逐漸(jiàn)擴大的流道。當(dāng)氣體通過噴嘴(zui)時,喉部的氣體(tǐ)流速将随着♋節(jie)流壓力比減🥵小(xiǎo)而增大。當節流(liu)壓力比小到一(yi)定值時,喉部流(liú)速達到最🐕大流(liu)速一音速。此時(shí)🌈若再減小節流(liu)壓力比,流速(流(liú)量)将保持音速(sù)不變🚩,不再受下(xia)遊壓力的影響(xiǎng)，而隻🐕與噴嘴人(rén)口處的滞止壓(ya)力和溫度有關(guān),此時🌏的噴嘴稱(cheng)爲音速噴嘴,流(liú)量方程式爲:

　　式(shi)中:qm爲流過噴嘴(zui)的質量流量;A.爲(wèi)音速噴嘴喉部(bu)面積;C爲流出系(xi)數;C.爲臨界流函(han)數;P。爲音速噴嘴(zuǐ)人口處滞止絕(jué)對壓力;T。爲音👄速(su)噴嘴人口處滞(zhì)止絕對溫度;R爲(wei)通用氣體常數(shù);M爲氣體千摩爾(er)質量。
　　從式(5)可以(yi)看出,一.種喉徑(jing)的噴嘴隻有一(yī)一個臨界流量(liang)📞值,噴嘴人口的(de)滯止壓力和滞(zhì)止溫度不變時(shi),通過噴嘴⚽的流(liu)量也不變,正是(shi)由于此特性使(shǐ)音速噴.嘴作爲(wei)标準件廣泛應(yīng)用于氣體流✉️量(liang)标準裝置中。
3.2音(yīn)速噴嘴氣體流(liu)量标準裝置
　　音(yīn)速噴嘴氣體流(liu)量标準裝置按(an)照氣源壓力不(bu)同分🚩爲正壓法(fa)和負壓法兩種(zhǒng)。
　　正壓法裝置通(tong)過改變噴嘴人(ren)口的滞止壓力(lì)改變🚶流過㊙️噴嘴(zuǐ)的氣體流量,用(yòng)較少的噴嘴實(shi)現較寬的流量(liàng)範圍,而且🌈較高(gāo)而可變的氣源(yuán)壓力可以使其(qí)工作在☁️正壓(絕(jue)壓0.2MPa以上⛹🏻‍♀️)狀态下(xià),從而氣體密度(du)高于⛱️常壓裝置(zhi),具有不同密度(du)(壓力)點上的試(shi)驗能力,可🈲用于(yú)研究氣🤩體密度(du)變化㊙️對于流量(liang)儀表性能的影(yǐng)響。
　　本文試驗裝(zhuāng)置采用正壓法(fǎ),工作流量範圍(wei)爲工況🙇🏻2.5~666m3/h,工作壓(ya)力🌈範圍爲表壓(yā)0.1~0.5MPa,裝置結構圖如(rú)圖2所示。工作原(yuán)理是:首♊先由♈空(kong)壓機将🔴大氣中(zhong)的空氣送人管(guǎn)道💚，經冷幹機除(chú)去㊙️水氣後打人(ren)高壓儲氣罐中(zhong),待儲氣罐壓力(li)升高到-定值之(zhī)後,調節穩壓閥(fa)使其下遊管道(dào)壓力穩定在合(he)适值,經✏️穩壓閥(fa)調節🈲後進入試(shi)驗管道的高壓(yā)氣體先後流經(jing)渦街流量計、滯(zhì)止容器、音速噴(pēn)嘴組、彙氣管、消(xiao)音器後,最終通(tōng)向大氣。其中🏃🏻，音(yīn)速噴嘴組由安(ān)裝在滞止容器(qi)下遊的11個不同(tong)喉♉徑音速噴⛹🏻‍♀️嘴(zuǐ)并聯而成,通過(guò)控☀️制音速噴嘴(zui)下遊的開關閥(fa)門,可以任意選(xuǎn)擇😄音速噴嘴的(de)組合方式，以達(dá)到改變被測儀(yi)表流量的目的(de)。通過對滞止容(rong)器上溫度變送(sòng)器T、壓力變送器(qi)P,信号采集,代人(ren)公式(5)便可得到(dào)通✨過音速噴嘴(zuǐ)的質量流量,亦(yi)即流過渦街流(liu)量計處的質量(liàng)流量。通過測量(liang)渦✉️街流量計處(chu)的溫度T和壓力(lì)P,可以計算出工(gong)作狀态下空氣(qì)密度,進而得到(dao)實際體積流量(liang)。再根據相同時(shi)間🎯間隔内渦街(jiē)流量計輸出脈(mò)沖的檢測，可最(zuì)終實現對☎️渦街(jiē)流量計儀表系(xi)數等流量特性(xing)的研究。
上述全(quán)部工作過程均(jun1)由計算機系統(tǒng)實時控制和🈲處(chù)理。經過分析和(he)測試，試驗裝置(zhi)精确度爲0.5級。

4流(liú)量特性試驗研(yan)究
4.1試驗方案
在(zai)正壓法音速噴(pēn)嘴氣體流量标(biao)準裝置，上,通過(guò)調節滞止壓力(li)來改變介質密(mì)度,在4個不同介(jiè)質密度條件下(xià),分别對50mm口徑渦(wo)街流量計進行(hang)大量的試驗。通(tong)過數據分析,主(zhǔ)要從兩方面考(kao)察介❓質密度變(bian)化對渦街流量(liang)計流量♊特性的(de)影響:
(1)考察渦街(jiē)流量計儀表系(xi)數受密度變化(huà)影響程度,驗證(zheng)卡🏃🏻曼渦街理論(lun);
(2)考察渦街流量(liàng)計測量下限随(sui)密度改變的變(bian)化趨勢,從理論(lùn)角度給予解釋(shì)。
4.2試驗數據及分(fen)析
爲了保證音(yīn)速噴嘴在喉部(bù)達到音速,并結(jié)合穩壓閥的調(diào)壓🏃🏻範圍，試驗選(xuan)擇在表壓0.13MPa、0.2MPa.0.3MPa、0.4MPa下進(jìn)行,對應空氣介(jiè)質密度分别爲(wei)2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3.5.987kg/m3。由❤️于高壓儲氣(qi)罐的容量有限(xiàn)(12m'),爲避免當流量(liàng)大時管道内壓(ya)力🆚下降迅速，試(shì)驗最大流量點(dian)選擇在176m3/h(對應流(liú)速爲25m/s);最小流量(liàng)點即流量下限(xian)正是本文要研(yán)究的流量特性(xìng)之一，由試驗結(jié)果而定。試驗嚴(yan)格✂️按照國家計(ji)量檢定規程進(jin)行,在每個介質(zhì)密度下整個流(liu)量範圍内壓力(lì)變化不超過1kPa,在(zai)每個流量點的(de)每一次檢定過(guo)程中，壓縮空氣(qi)溫度變化不超(chāo)過0.5℃。
根據試驗得(dé)到的數據,可繪(hui)制出如圖3不同(tong)空氣密度下渦(wō)街儀表系數随(sui)流量變化曲線(xiàn)，并得到渦街流(liu)量😍計的流量特(tè)性見表🍉1。

從圖3和(hé)表1可總結出以(yǐ)下幾點結論:
(1)不(bú)同密度下渦街(jiē)各點儀表系數(shù)随流量變化曲(qǔ)線K-q,具有很好的(de)相似性。小流量(liang)下K值波動較大(dà),在流量點22m3/h處達(dá)到峰值,之後K值(zhí)趨于常數且随(sui)着密度的增大(da)穩定性愈好🥵,這(zhe)是因㊙️爲,影響渦(wō)街儀表系數的(de)斯特勞哈爾數(shu)Sr是雷諾數Re的函(han)數,而Re的定義爲(wei):

式中:μ爲動力粘(zhān)度。在流速U相同(tong)情況下,ρ變大時(shí)Re也相應變大,根(gēn)據Sr-Re曲線'),Sr将更加(jia)趨于平坦,故K值(zhí)随着介質密度(dù)的增🐪大穩定性(xing)❌愈好。
(2)随着介質(zhi)密度的增大,渦(wō)街流量計儀表(biao)系數變化㊙️很小(xiao),最💃🏻大🏃🏻‍♂️相🏃‍♂️對誤差(chà)爲:

因而驗證了(le)卡曼渦街理論(lùn)得出的渦街流(liú)量計幾乎不受(shòu)流體🏃密度變化(hua)影響的特點,非(fēi)常适合于氣體(ti)流量測量。
(3)随着(zhe)介質密度的增(zēng)大,渦街流量計(ji)不确定度和線(xian)性度基本不變(bian),渦街流量計準(zhun)确度爲1.5級,且不(bú)受流體密⛹🏻‍♀️度變(biàn)化影♉響。
(4)随着介(jie)質密度的增大(da),渦街流量計流(liú)量下限降低🏃‍♀️,量(liàng)程擴大。這是因(yīn)爲,由公式(2)可知(zhi),作用在旋渦發(fa)生體上的升力(lì)FL與被測流體的(de)密度ρ和流速U平(píng)方成正比。當壓(ya)❓縮空氣密度ρ升(shēng)高時,在保證渦(wo)街流量計的檢(jian)測靈敏度(即升(sheng)力FL)不變的情況(kuàng)下,測量流速U會(huì)相應降低,那麽(me)📱渦街流量計的(de)流量下限q.mi也會(huì)相應降低，上述(shu)過程可表示爲(wei)下式:


5結論
(1)随着(zhe)介質密度的增(zeng)大,渦街流量計(ji)儀表系數變化(hua)很小,最大相對(duì)誤差僅爲0.405%,驗證(zhèng)了渦街流量計(jì)幾乎不受流體(tǐ)密度變化的影(yǐng)響。
(2)随着介質密(mì)度的增大,渦街(jiē)流量計流量下(xià)限降低㊙️,量程擴(kuo)大,根據作用在(zai)旋渦發生體上(shàng)的升力公式對(dui)此現象進行了(le)理論分析。

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