摘要:利用(yong)正壓法音(yīn)速噴嘴氣(qi)體流量标(biāo)準裝置,通(tong)過調節試(shi)驗🛀🏻管道中(zhōng)介質的工(gōng)作壓力(0.23~0.5MPa)來(lái)改變介質(zhì)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(zhǒng)情況下對(duì)50mm口徑氣體(tǐ)渦街流量(liàng)計 的流量(liàng)特性(儀表(biǎo)系數、線性(xìng)度、不确定(dìng)度.流量下(xia)限)進行了(le)大量試驗(yàn)研究。試驗(yan)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)差爲0.405%，驗證(zhèng)了渦街流(liú)量計儀表(biao)系數☂️幾乎(hū)不⚽受流體(tǐ)密度變化(hua)的影響;并(bìng)發現渦街(jie)流量計的(de)流量下限(xiàn)随着介質(zhi)密度的增(zēng)大而向下(xià)延伸,對此(ci)現象進行(hang)了分析。
1引(yin)言
　　氣體渦(wō)街流量計(ji)是一種利(li)用流體振(zhèn)動原理來(lai)進🚶‍♀️行流.量(liang)測量的振(zhen)動式流量(liang)計,廣泛應(ying)用于測量(liàng)和⭕工業過(guo)程控制領(ling)域中。但曆(lì)史較短,理(lǐ)論基礎和(hé)實踐經驗(yan)不足,還有(you)許多工作(zuò)需要探索(suǒ)、充實.
　　渦街(jie)流量計流(liu)量方程經(jīng)常引用卡(kǎ)曼渦街理(li)論,進而🤞得(de)出‼️渦街流(liu)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(dui)被測流體(tǐ)溫度、壓力(li)、密度、粘度(du)和組分變(biàn)化不敏感(gan)的特點田(tian)實際應用(yong)中,現場工(gōng)作條件的(de)變化到底(di)會對渦街(jiē)流量計測(cè)量帶來多(duō)大的附加(jia)誤差尚不(bú)明确。SophieGoujon-Durand研究(jiū)了流體粘(zhān)度對渦街(jie)流量計線(xiàn)性度🔴的影(ying)響,繪出不(bu)同粘度對(dui)渦街線性(xing)度的校正(zheng)曲線。中提(tí)到通過氣(qì)體不同工(gong)作壓力下(xia)的試💯驗驗(yan)證了渦街(jie)流🔴量計不(bu)随介質密(mi)度變化的(de)結論,但是(shì)并未給出(chū)具體試驗(yàn)數據🌏。本文(wen)采用試驗(yàn)方法,利用(yong)💞正壓法音(yīn)速噴嘴氣(qi)體流量标(biāo)準裝置,在(zài)不同介質(zhi)密度下對(dui)渦街流量(liang)計的⭐流量(liàng)🌏特性進行(hang)對比研究(jiū),得到儀表(biǎo)系數和流(liú)量下限随(suí)密度✂️變化(huà)曲線和趨(qu)勢,并對試(shì)驗結果進(jìn)行分析解(jie)釋。
2渦街流(liu)量計工作(zuo)原理
　　如圖(tú)1所示,管道(dào)中垂直插(chā)人一梯形(xing)柱狀旋渦(wo)發生體,随(sui)着🐉流體流(liu)動,當管道(dào)雷諾數達(da)到一定值(zhi)時,在旋渦(wō)發生體兩(liang)側會交替(tì)地産生有(yǒu)規則的旋(xuan)渦，這種旋(xuan)渦稱爲卡(ka)✨曼渦街。
 
　　式(shì)中:U1爲旋渦(wo)發生體兩(liang)側平均流(liu)速;U爲被測(cè)介質來流(liu)的平均流(liú)🚩速;Sr爲斯特(te)勞哈爾數(shù),對一定形(xíng)狀的旋♍渦(wō)發生體㊙️在(zai)一🧑🏽‍🤝‍🧑🏻定雷諾(nuò)數範圍内(nèi)爲常數;m爲(wèi).旋渦發生(sheng)體兩側弓(gong)形面積與(yu)管道橫👨‍❤️‍👨截(jie)面面積之(zhi)比。
　　流體在(zài)産生旋渦(wō)的同時還(hai)受到一個(ge)垂直方向(xiàng)上.力的作(zuò)用,根據湯(tang)姆生定律(lǜ)和庫塔一(yī)儒可夫斯(sī)基🐉升力定(dìng)理,設作用(yong)在旋渦發(fa)生體每單(dan)位長度上(shang)的升力爲(wei)Fl,有:
 
　　式中:CL爲(wei)升力系數(shu);ρ爲流體密(mi)度。
　　由于交(jiāo)替地作用(yong)在發生體(tǐ)上升力的(de)頻率就是(shì)旋渦🔞的📧脫(tuo)落頻率,通(tong)過壓電探(tàn)頭對FL變化(huà)頻率的檢(jian)測❄️,即可得(dé)到ƒ,再由☁️式(shi)(1)可得體積(jī)流量qv;
 
　　式中(zhong):K爲渦街流(liu)量計的儀(yi)表系數。
　　從(cóng)式(3)、(4)可以看(kàn)出,對于确(què)定的D和d,流(liu)體的體積(jī)流量qv與旋(xuán)渦頻⭐率ƒ成(chéng)⭐正比,而ƒ隻(zhī)與流速U和(hé)旋渦發生(shēng)體的幾何(hé)參數有關(guan),且與被測(cè)流體的物(wu)性和組分(fen)無關，因此(cǐ)可以得出(chū)渦街流量(liang)🚶‍♀️計不受流(liu)體溫度、壓(ya)力、密度、粘(zhan)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(ya)力的增加(jiā)、介質密度(du)的變化對(dui)渦街流量(liang)計測量産(chan)🈚生的影響(xiang)。
3試驗裝置(zhì)
3.1音速噴嘴(zuǐ)工作原理(li)
　　文丘利噴(pen)嘴是個孔(kong)徑逐漸減(jiǎn)小的流道(dao),孔徑最小(xiao)的部🔞分稱(chēng)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(zui)時,喉部的(de)氣體流速(su)将随着節(jie)流壓力比(bi)減小而增(zēng)⭐大。當節㊙️流(liú)壓力比小(xiǎo)❤️到-.定值時(shí)，喉部流速(sù)達到最大(da)流速一音(yin)速。此時若(ruò)再減小節(jiē)流壓力比(bi),流速(流量(liang))将保持音(yīn)速不變，不(bu)再受下遊(you)壓力的影(yǐng)響,而隻與(yu)噴嘴入口(kou)處的滞止(zhǐ)💯壓力和溫(wēn)度有關,此(ci)時的噴嘴(zuǐ)稱爲音速(sù)噴嘴,流量(liang)🍉方程式爲(wèi):
 
　　式中:qm爲流(liu)過噴嘴的(de)質量流量(liàng);An爲音速噴(pēn)嘴喉部面(miàn)積;C爲流出(chu)系數;C.爲臨(lín)界流函數(shu);P0爲音速噴(pen)嘴人口處(chù)滞止絕對(duì)壓力;T0爲音(yin)速噴嘴人(ren)口處滞止(zhi)絕對溫度(du);R爲通用氣(qì)體常🈲數;M爲(wei)氣體千摩(mó)爾質量㊙️。
　　從(cong)式(5)可以看(kàn)出,一種喉(hou)徑的噴嘴(zui)隻有一個(gè)臨界流量(liang)值，噴嘴入(ru)口的滯止(zhi)壓力和滞(zhì)止溫度不(bú)變時,通過(guo)噴嘴的流(liu)量也不🚶變(biàn),正是由于(yú)此特性使(shi)音速噴嘴(zuǐ)作爲标準(zhǔn)件廣泛應(yīng)用于氣♍體(tǐ)流量标準(zhǔn)裝置中。
3.2音(yīn)速噴嘴氣(qi)體流量标(biao)準裝置
　　音(yin)速噴嘴氣(qì)體流量标(biāo)準裝置按(an)照氣源壓(ya)力不同分(fen)爲正壓法(fǎ)和負壓法(fa)兩種。
　　正壓(ya)法裝置通(tong)過改變噴(pen)嘴人口的(de)滞止壓力(li)改變♈流過(guo)噴🔆嘴的氣(qi)體流量,用(yòng)較少的噴(pen)嘴實現較(jiào)寬的💯流量(liang)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(zhuang)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(néng)力,可用于(yu)研究氣⭐體(tǐ)密度變化(hua)對于流量(liàng)儀表性能(néng)的影響。
　　本(ben)文試驗裝(zhuāng)置采用正(zhèng)壓法,工作(zuò)流量範圍(wéi)爲工況2.5~666m³/h,工(gōng)作壓力範(fan)圍爲表壓(ya)0.1~0.5MPa,裝置結構(gòu)圖如圖2所(suo)示。工作原(yuán)理是:首先(xiān)由空壓😍機(ji)将大氣中(zhōng)的空氣送(song)人管道，經(jing)冷幹機除(chu)去水氣後(hòu)打人高壓(yā)儲氣罐中(zhong),待儲氣罐(guàn)壓力升✍️高(gāo)到-定值之(zhī)後,調節💰穩(wen)壓閥使其(qí)下遊管道(dào)壓力穩定(dìng)在合适值(zhí),經🚩穩壓閥(fá)調節後進(jìn)人試驗💘管(guan)道的高壓(yā)氣體先後(hou)流經渦🏃🏻街(jie)流量計、滞(zhì)止容器、音(yīn)速噴嘴組(zǔ)、彙氣管、消(xiāo)音☔器後,最(zui)終通向大(da)氣。其中，音(yin)速噴嘴組(zǔ)由安裝在(zài)滞止容器(qi)下遊的11個(ge)不同喉徑(jìng)音速噴嘴(zuǐ)并聯而成(chéng),通過控制(zhi)音速噴嘴(zuǐ)下遊的開(kai)關閥門,可(kě)以任🌏意選(xuǎn)擇音速噴(pen)嘴的組合(hé)方式,以達(da)到改變被(bei)測儀表流(liu)量的目的(de)。通過對滞(zhì)止容器上(shàng)溫度變送(sòng)器T、壓力變(biàn)送☀️器P1信号(hao)采集,代人(ren)公式(5)便可(kě)得到通過(guo)音速噴嘴(zui)的質量流(liu)量,亦即流(liu)過渦街流(liu)量計處的(de)質量流量(liang)。通過測量(liang)渦街流量(liang)計處的✏️溫(wen)度T和壓力(li)P,可以計算(suan)出工作🌏狀(zhuàng)态下空氣(qì)密度,進🈚而(ér)得🎯到實際(ji)✔️體積流量(liang)。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(dui)渦街流量(liàng)計儀表系(xi)數等流量(liàng)特性的研(yan)究。
　　上述全(quán)部工作過(guo)程均由計(ji)算機系統(tong)實時控制(zhi)和👨‍❤️‍👨處理🈚。經(jīng)過分析和(he)測試，試驗(yàn)裝置精度(du)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(sù)噴嘴氣體(tǐ)流量标準(zhǔn)裝置上,通(tong)過調節☂️滞(zhi)🔞止壓力來(lai)改變介質(zhi)密度,在4個(gè)不同介質(zhì)密度條件(jian)下,分别對(duì)50mm口徑渦街(jie)流量計進(jìn)行大量的(de)試驗。通過(guò)數據分析(xi)，主要從兩(liǎng)方面考察(cha)介質密度(dù)變化對渦(wō)街流量計(jì)流量特性(xing)的影響:
(1)考(kao)察渦街流(liu)量計儀表(biǎo)系數受密(mì)度變化影(yǐng)響程度,驗(yan)證卡曼💋渦(wō)街理論;
(2)考(kao)察渦街流(liu)量計測量(liàng)下限随密(mì)度改變的(de)變化趨✍️勢(shi),從理論🔅角(jiǎo)度給予解(jie)釋。
4.2試驗數(shu)據及分析(xī)
　　爲了保證(zheng)音速噴嘴(zui)在喉部達(da)到音速,并(bìng)結合穩壓(yā)閥的調🐪壓(ya)範圍，試驗(yàn)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(du)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(rong)量有限(12m³),爲(wei)避免當流(liú)量大時管(guǎn)道内壓力(li)下降迅速(sù)，試驗最大(dà)流量點選(xuǎn)擇在176m³/h(對應(yīng)流速爲25m/s);最(zui)🔞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(liang)檢定規程(cheng)進行,在每(mei)個介質密(mi)度下整🙇‍♀️個(ge)流量範圍(wéi)内壓力變(bian)化不超過(guo)1kPa,在每個流(liú)量點的每(měi)一次檢定(dìng)過程中,壓(yā)縮空氣溫(wen)度變化不(bu)超過0.5℃
　　根據(ju)試驗得到(dao)的數據,可(kě)繪制出如(ru)圖3不同空(kong)氣密度下(xia)渦街儀表(biao)系數随流(liu)量變化曲(qǔ)線,并得到(dào)渦街流量(liang)計的流量(liàng)特性見表(biǎo)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(liu)量點✨第j次(ci)儀🏒表系數(shù)值;Ki爲.第i個(ge)流量點的(de)平均儀表(biao)系數。
　　從圖(tú)3和表1可總(zǒng)結出以下(xia)幾點結論(lùn):(1)不同密度(dù)下渦街各(ge)點儀🔴表系(xì)數随流量(liàng)變化曲線(xiàn)K-qv具有很好(hao)的相似性(xing)。小流👨‍❤️‍👨量下(xia)K值波動較(jiao)大,在流量(liang)點22m³/h處達到(dào)峰值,之後(hòu)K值🐆趨于常(cháng)🍉數且随着(zhe)密度的增(zeng)大穩定性(xìng)愈好🏃🏻,這是(shi)因爲,影響(xiǎng)渦街儀表(biao)系數🈚的斯(si)特勞哈爾(ěr)數Sr是雷諾(nuò)數Re的函數(shù),而Re的定義(yi)爲:
 
　　式中:μ爲(wèi)動力粘度(dù)。在流速U相(xiang)同情況下(xia)，ρ變大時Re也(ye)相應☎️變大(dà)♌,根據🚶‍♀️Sr-Re曲線(xian)(5),Sr将更加趨(qū)于平坦,故(gù)K值随着介(jiè)質密度的(de)增大穩定(dìng)性愈好。
(2)随(suí)着介質密(mi)度的增大(dà),渦街流量(liàng)計儀表系(xi)數變化很(hěn)💋小，最☁️大相(xiàng)對誤差爲(wei):
 
　　因而驗證(zhèng)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(biàn)化影響的(de)特點,非常(cháng)适合于氣(qi)體流量測(ce)✏️量。
(3)随着介(jiè)質密度的(de)增大，渦街(jiē)流量計不(bu)确定度和(hé)線性度基(jī)本不變,渦(wō)街流量計(ji)精度爲1.5級(jí),且不受流(liu)體密度變(bian)化影響。
(4)随(sui)着介質密(mì)度的增大(da),渦街流量(liang)計流量下(xià)限降低,量(liang)程擴大。這(zhè)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(dù)ρ和流速U平(ping)方成正比(bǐ)。當壓縮空(kōng)氣密度ρ升(sheng)高時,在保(bao)證渦街流(liu)量計的檢(jiǎn)測靈敏度(dù)(即升力👌F)不(bú)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(liang)下限qvmin也會(huì)相應降低(di),上述過程(chéng)可🏃🏻表示爲(wei)下式:
 
　　式中(zhōng)α爲常數,可(kě)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(xià)💋限随🐉介質(zhì)密度增大(dà)而降低現(xian)象出現的(de)理論分析(xi)。結合表1中(zhong)實際數據(jù),繪出qvmin~ρmin-1/2曲線(xian),見圖4。
 
　　由圖(tú)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(xìng)👈關系,隻是(shì)在空氣密(mì)度爲4.782kg/m³點處(chu)誤差較大(da),這是由于(yu)音速噴嘴(zui)标準✉️裝置(zhì)對于流量(liang)點調節的(de)非連🈲續性(xìng)造成的(在(zai)流量點14.8m³/h與(yǔ)9.9m³/h之間無中(zhong)間📐流量點(diǎn))。
5結論
(1)随着(zhe)介質密度(dù)的增大,渦(wō)街流量計(jì)儀表系數(shu)變化很小(xiǎo)，最👄大相㊙️對(duì)誤差僅爲(wei)0.405%,驗證了渦(wō)街流量計(ji)幾乎不受(shòu)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(jie)流量計流(liu)量下限降(jiàng)低,量程擴(kuò)❤️大,根據作(zuo)用在旋渦(wo)發生體上(shàng)的升力公(gōng):式對此現(xiàn)象進行🧑🏾‍🤝‍🧑🏼了(le)理🔴論分析(xī)。

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