摘要(yao):利用正壓(ya)法音速噴(pen)嘴氣體流(liu)量标準裝(zhuang)置,通過調(diao)節試驗管(guan)道中介質(zhi)的工作壓(ya)力(0.23~0.5MPa)來改變(bian)介質密度(du),分别在空(kong)氣密度爲(wei)2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3、5.987kg/m3四種情況(kuang)下對50mm口徑(jing)氣體渦街(jie)流量計 的(de)流量特性(xing)(儀表系數(shu)、線性度、不(bu)确定度.流(liu)量下限)進(jin)行了大量(liang)試驗研究(jiu)。試驗結果(guo)表明,不同(tong)密度下 渦(wo)街流量計(ji) 儀表系數(shu)的最大相(xiang)對誤差0.405%,驗(yan)證了渦街(jie)流量計儀(yi)表系數幾(ji)乎不受流(liu)體密度變(bian)化的影響(xiang);并發現渦(wo)街流量計(ji)的流量下(xia)限随🌈着介(jie)質密度的(de)增大而向(xiang)下延伸,對(dui)此現象進(jin)行了分析(xi)。
1引言
　　渦街(jie)流量計是(shi)一種利用(yong)流體振動(dong)原理來進(jin)行流量測(ce)量的振動(dong)式流量計(ji),廣泛應用(yong)于測量和(he)工業過程(cheng)控制領域(yu)中。但曆史(shi)較短,理論(lun)基礎和實(shi)踐經驗不(bu)足,還有許(xu)多工作需(xu)要探索、充(chong)實1.21渦街流(liu)量計最基(ji)本的流量(liang)方程經常(chang)引用㊙️卡曼(man)渦街理論(lun)，進而得出(chu)渦街流量(liang)計旋渦分(fen)🥰離的頻率(lü)僅💯與.流體(ti)工作狀态(tai)下的體😍積(ji)流量成正(zheng)比,而對被(bei)測流體溫(wen)❗度、壓🌈力、密(mi)度、粘度和(he)組分變化(hua)不敏感的(de)特點。實際(ji)應用中,現(xian)場工作條(tiao)件的變化(hua)到底會對(dui)渦街流量(liang)計測🐉量帶(dai)來多大的(de)附加誤💯差(cha)尚不明确(que)。SophieGoujon-Durand研究了流(liu)體粘♋度對(dui)渦街流量(liang)計線性度(du)的影響,繪(hui)出不同粘(zhan)度對渦街(jie)線性度的(de)校正曲線(xian)[4]”。通過氣體(ti)不同工作(zuo)壓力💯下的(de)試驗驗證(zheng)了渦街流(liu)⛹🏻‍♀️量計不随(sui)介質密度(du)變化的結(jie)論，但⚽是并(bing)未給出具(ju)體試驗數(shu)據。本文采(cai)用試驗方(fang)法,利用正(zheng)壓法🏃🏻音速(su)噴嘴氣體(ti)流量标準(zhun)裝置💞,在不(bu)同介質密(mi)度下對渦(wo)街流🐕量計(ji)的流量特(te)性進行對(dui)比研究📞，得(de)到儀表系(xi)💚數和流量(liang)下限随密(mi)度變化曲(qu)線和趨🤟勢(shi),并對試驗(yan)結果進行(hang)分析解釋(shi)。
2渦街流量(liang)計工作原(yuan)理
　　如圖1所(suo)示，管道中(zhong)垂直插人(ren)一梯形柱(zhu)狀旋渦.發(fa)生體,随着(zhe)流體流動(dong),當管道雷(lei)諾數達到(dao)一定值時(shi),在旋渦✊發(fa)生☁️體兩側(ce)會交替地(di)産生有規(gui)則的旋渦(wo),這種旋渦(wo)稱爲卡曼(man)渦街。

設旋渦(wo)發生頻率(lü)爲，f,旋渦發(fa)生體迎流(liu)面寬度爲(wei)d,表體🏃‍♂️通徑(jing)🔞爲💘D,根據卡(ka)曼渦街原(yuan)理，可知:

　　式(shi)中:U1爲旋渦(wo)發生體兩(liang)側平均流(liu)速;U爲被測(ce)介質來流(liu)的平均流(liu)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(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(zai)産生旋渦(wo)的同時還(hai)受到一個(ge)垂直方向(xiang)上🔱力的🌍作(zuo)用🌈,根據湯(tang)姆生定律(lü)和庫塔一(yi)-儒可夫斯(si)基♉升力定(ding)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(jiao)替地作用(yong)在發生體(ti).上升力的(de)頻率就是(shi)旋✉️渦的脫(tuo)落頻率,通(tong)過壓電探(tan)頭對FL變化(hua)頻率的檢(jian)測，即可得(de)到?再由式(shi)(1)可得體積(ji)流量qv:

式中(zhong):K爲渦街流(liu)量計的儀(yi)表系數。
　　從(cong)式(3)、(4)可以看(kan)出,對于确(que)定的D和d,流(liu)體的體積(ji)流量qv與☎️旋(xuan)渦頻率🌍?成(cheng)正比,而?隻(zhi)與流速U和(he)旋渦發生(sheng)體的幾何(he)參數有🈲關(guan),且與被測(ce)流體的物(wu)性和組分(fen)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(zhan)度、組分因(yin)素的影響(xiang)。本文研💋究(jiu)在複雜的(de)現場環境(jing)下,工作壓(ya)力的增加(jia)、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(zhi)
3.1音速噴嘴(zui)工作原理(li)
　　文丘利噴(pen)嘴是個孔(kong)徑逐漸減(jian)小的流道(dao),孔徑最小(xiao)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(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(zeng)大。當節流(liu)壓力比小(xiao)🍓到一定值(zhi)時,喉部流(liu)速達到最(zui)大流速一(yi)音速。此時(shi)💁若再減小(xiao)節流壓力(li)比,流速(流(liu)量)将保🈲持(chi)音速不變(bian),不再受下(xia)遊壓力的(de)影響，而隻(zhi)與噴嘴人(ren)口處的滞(zhi)止壓力和(he)溫度有關(guan),此時的噴(pen)嘴稱爲音(yin)速噴嘴,流(liu)量方程式(shi)爲:

　　式中:qm爲(wei)流過噴嘴(zui)的質量流(liu)量;A.爲音速(su)噴嘴喉部(bu)面積;C爲流(liu)出系數;C.爲(wei)臨界流函(han)數;P。爲音速(su)噴嘴人口(kou)處滞止絕(jue)對壓力;T。爲(wei)音速噴✊嘴(zui)人口處滞(zhi)止絕對溫(wen)度;R爲通用(yong)🐇氣體常數(shu);M爲氣體千(qian)摩爾質量(liang)。
　　從式(5)可以(yi)看出,一.種(zhong)喉徑的噴(pen)嘴隻有一(yi)一個臨界(jie)🐪流量值,噴(pen)嘴人口的(de)滯止壓力(li)和滞止溫(wen)度不變時(shi),通過🍉噴嘴(zui)的流量也(ye)不變,正是(shi)由于此特(te)性使音速(su)噴.嘴作爲(wei)标準件廣(guang)泛✏️應用于(yu)氣體流量(liang)标準裝置(zhi)中。
3.2音速噴(pen)嘴氣體流(liu)量标準裝(zhuang)置
　　音速噴(pen)嘴氣體流(liu)量标準裝(zhuang)置按照氣(qi)源壓力不(bu)同💃分👄爲正(zheng)壓法和負(fu)壓法兩種(zhong)。
　　正壓法裝(zhuang)置通過改(gai)變噴嘴人(ren)口的滞止(zhi)壓力改變(bian)流🆚過噴嘴(zui)的氣體流(liu)量,用較少(shao)的噴嘴實(shi)現較寬的(de)流量範圍(wei),而且較高(gao)而可✨變的(de)氣源壓力(li)可以使其(qi)工作在正(zheng)壓(絕壓0.2MPa以(yi)上)狀态下(xia),從而氣體(ti)密度高于(yu)常壓裝置(zhi),具有不同(tong)密度(壓力(li))點上的試(shi)驗能力,可(ke)用于研究(jiu)氣體密度(du)變化對于(yu)流量儀表(biao)性能的影(ying)響。
　　本文試(shi)驗裝置采(cai)用正壓法(fa),工作流量(liang)範圍爲工(gong)況2.5~666m3/h,工🙇‍♀️作壓(ya)力範圍爲(wei)表壓0.1~0.5MPa,裝置(zhi)結構圖如(ru)圖2所示。工(gong)作📧原理是(shi):首先由空(kong)壓機将☀️大(da)氣中的空(kong)氣送人管(guan)道，經冷幹(gan)機除去水(shui)氣後打人(ren)高壓儲氣(qi)罐中,待儲(chu)氣罐壓力(li)升高到-定(ding)值之後,調(diao)節穩壓閥(fa)使⚽其下遊(you)管道壓力(li)穩定在合(he)适值,經🙇🏻穩(wen)壓閥調節(jie)後進入試(shi)驗🤟管道的(de)高壓氣體(ti)先後流經(jing)渦街流量(liang)計、滯止容(rong)器、音速噴(pen)嘴組、彙氣(qi)管、消音器(qi)後,最終⛷️通(tong)向大氣。其(qi)中🌂，音速噴(pen)嘴組由安(an)裝在滞止(zhi)容器下遊(you)的🤟11個不同(tong)喉徑音速(su)噴嘴并聯(lian)而成㊙️,通過(guo)控制音速(su)噴嘴下遊(you)的開關閥(fa)門,可以任(ren)意選擇音(yin)速噴嘴的(de)組合方式(shi)，以達到改(gai)變被測儀(yi)表流量♉的(de)目的。通過(guo)對滞止容(rong)器🚶上溫度(du)變送器T、壓(ya)力變送器(qi)P,信号采集(ji),代人公式(shi)(5)便可得到(dao)通過音速(su)噴嘴的質(zhi)量流量,亦(yi)即流過渦(wo)街流量計(ji)處的質量(liang)流量。通過(guo)測量渦街(jie)流量計處(chu)💜的溫度T和(he)壓力P,可以(yi)計算出工(gong)作狀态下(xia)空氣密度(du),進而得到(dao)實際體積(ji)流量。再根(gen)據相同時(shi)間間隔内(nei)渦街流量(liang)計輸出脈(mo)沖的檢測(ce)，可最終實(shi)現對👄渦街(jie)流量計儀(yi)表系數等(deng)流量特性(xing)的研究💜。
上(shang)述全部工(gong)作過程均(jun)由計算機(ji)系統實時(shi)控制和處(chu)理。經過分(fen)析和測試(shi)，試驗裝置(zhi)精确度爲(wei)0.5級。

4流量特(te)性試驗研(yan)究
4.1試驗方(fang)案
在正壓(ya)法音速噴(pen)嘴氣體流(liu)量标準裝(zhuang)置，上,通過(guo)調節滞止(zhi)壓力來改(gai)變介質密(mi)度,在4個不(bu)同介質密(mi)度👨‍❤️‍👨條件下(xia),分别對50mm口(kou)徑🔞渦街流(liu)量計進行(hang)大量的試(shi)驗。通過數(shu)據分析⚽,主(zhu)要從兩方(fang)面🌈考察介(jie)質密度變(bian)化對渦街(jie)流量計流(liu)量特性的(de)影響:
(1)考察(cha)渦街流量(liang)計儀表系(xi)數受密度(du)變化影響(xiang)程度,驗證(zheng)卡曼渦街(jie)理論;
(2)考察(cha)渦街流量(liang)計測量下(xia)限随密度(du)改變的變(bian)化趨勢,從(cong)😘理❓論角度(du)給予解釋(shi)。
4.2試驗數據(ju)及分析
爲(wei)了保證音(yin)速噴嘴在(zai)喉部達到(dao)音速,并結(jie)合穩壓🔴閥(fa)的調🆚壓範(fan)圍，試驗選(xuan)擇在表壓(ya)0.13MPa、0.2MPa.0.3MPa、0.4MPa下進行,對(dui)應空氣❓介(jie)質密度分(fen)别爲2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3.5.987kg/m3。由于(yu)高壓儲氣(qi)罐的容量(liang)有限(12m'),爲避(bi)免當📞流量(liang)大時管道(dao)内壓力下(xia)降迅速，試(shi)驗最大流(liu)量點選擇(ze)在176m3/h(對應流(liu)速爲25m/s);最小(xiao)流量點即(ji)流量下限(xian)正是本文(wen)要研究的(de)流量特性(xing)之一，由試(shi)驗結果✨而(er)定。試驗嚴(yan)格按照國(guo)家計量🍓檢(jian)定規程進(jin)行,在每‼️個(ge)介質密度(du)下整個流(liu)量範圍内(nei)壓力變化(hua)不超過😘1kPa,在(zai)每個流量(liang)點的每一(yi)次檢定過(guo)程中，壓縮(suo)空氣溫度(du)變化不💔超(chao)過0.5℃。
根據試(shi)驗得到的(de)數據,可繪(hui)制出如圖(tu)3不同空氣(qi)密度下渦(wo)街儀表系(xi)數随流量(liang)變化曲線(xian)，并得到渦(wo)街流量計(ji)的流量特(te)性見表🔴1。

從(cong)圖3和表1可(ke)總結出以(yi)下幾點結(jie)論:
(1)不同密(mi)度下渦街(jie)各點儀表(biao)系數随流(liu)量變化曲(qu)線K-q,具有很(hen)好🍉的相似(si)性。小流量(liang)下K值波動(dong)較大,在流(liu)量🏃🏻‍♂️點22m3/h處達(da)到峰值,之(zhi)後K值趨💃🏻于(yu)常數且随(sui)着密度的(de)增大穩定(ding)性愈好,這(zhe)是因爲,影(ying)響渦街儀(yi)表系數的(de)斯特勞哈(ha)爾數Sr是雷(lei)諾數Re的函(han)數,而Re的定(ding)義爲:

式中(zhong):μ爲動力粘(zhan)度。在流速(su)U相同情況(kuang)下,ρ變大時(shi)Re也相應變(bian)☁️大🐪,根據Sr-Re曲(qu)線'),Sr将更加(jia)趨于平坦(tan),故K值随着(zhe)介質密度(du)的增🔆大穩(wen)☔定性愈好(hao)。
(2)随着介質(zhi)密度的增(zeng)大,渦街流(liu)量計儀表(biao)系數變化(hua)很小,最大(da)相✔️對誤差(cha)爲:

因而驗(yan)證了卡曼(man)渦街理論(lun)得出的渦(wo)街流量計(ji)幾乎不受(shou)流體密度(du)變化影響(xiang)的特點,非(fei)常适合于(yu)氣體流量(liang)測🔴量。
(3)随着(zhe)介質密度(du)的增大,渦(wo)街流量計(ji)不确定度(du)和線性度(du)基本不💜變(bian),渦街流量(liang)計準确度(du)爲1.5級,且不(bu)受流😄體密(mi)度變☁️化影(ying)響。
(4)随着介(jie)質密度的(de)增大,渦街(jie)流量計流(liu)量下限降(jiang)低,量💃🏻程擴(kuo)大。這是因(yin)爲,由公式(shi)(2)可知,作用(yong)在旋渦發(fa)生體上的(de)升力FL與被(bei)測💁流體💯的(de)密度ρ和流(liu)速U平方成(cheng)正比。當壓(ya)縮空氣密(mi)度ρ升高時(shi),在保證渦(wo)街流量計(ji)的檢測靈(ling)敏🈚度(即升(sheng)力FL)不變的(de)情況下,測(ce)量流速U會(hui)相應降低(di),那麽🔞渦街(jie)流量計的(de)流量下限(xian)q.mi也會相應(ying)降低，上述(shu)過程可表(biao)示爲下式(shi):


5結論
(1)随着(zhe)介質密度(du)的增大,渦(wo)街流量計(ji)儀表系數(shu)變化很小(xiao),最大相㊙️對(dui)誤差僅爲(wei)0.405%,驗證了渦(wo)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(jie)質密度的(de)增大,渦街(jie)流量計流(liu)量下限降(jiang)低,量程擴(kuo)大,根據作(zuo)用在旋渦(wo)發生體上(shang)的升力公(gong)式對此‼️現(xian)象進行了(le)理論分析(xi)。

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