摘要:利用(yong)正壓法音(yin)速噴嘴氣(qi)體流量标(biao)準裝置,通(tong)過調節試(shi)驗管道中(zhong)介質的工(gong)作壓力(0.23~0.5MPa)來(lai)改變介質(zhi)密度,分别(bie)在空氣密(mi)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(liang)計 的流量(liang)特性(儀表(biao)系數、線性(xing)度、不确定(ding)度.流量下(xia)限)進行了(le)大量試驗(yan)研究。試驗(yan)結果表明(ming),不同密度(du)下渦街流(liu)量計儀表(biao)系數的最(zui)大相對誤(wu)差爲0.405%，驗證(zheng)了👈渦街流(liu)量計儀表(biao)系數幾乎(hu)不受流體(ti)密度變化(hua)的影響;并(bing)發現渦街(jie)流量計的(de)流👣量下限(xian)随着介質(zhi)密👈度的增(zeng)大而向下(xia)延伸,對此(ci)現象進行(hang)了分析。
1引(yin)言
　　氣體渦(wo)街流量計(ji)是一種利(li)用流體振(zhen)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(liang)和工業過(guo)程控制領(ling)域中。但曆(li)史較短,理(li)論基礎和(he)實踐經驗(yan)不足,還有(you)許多工作(zuo)需🚶要探索(suo)🛀🏻、充實.
　　渦街(jie)流量計流(liu)量方程經(jing)常引用卡(ka)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(liu)體工作狀(zhuang)🐕态下👄的體(ti)積流量成(cheng)正比，而對(dui)被測流體(ti)溫度💯、壓力(li)、密度、粘度(du)和組分變(bian)化不敏感(gan)的特點田(tian)實際應用(yong)中,現😘場工(gong)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(bu)明确。SophieGoujon-Durand研究(jiu)了流體粘(zhan)度對渦💋街(jie)流量計線(xian)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(ti)到通過氣(qi)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(shi)并未給出(chu)具體試驗(yan)數據✌️。本文(wen)采用試驗(yan)方法,利用(yong)正壓法音(yin)速噴嘴氣(qi)體流量标(biao)準裝置,在(zai)不同介質(zhi)密度下對(dui)渦街流量(liang)計的✊流量(liang)特性進行(hang)對比研究(jiu)⭕,得到儀👈表(biao)系數和流(liu)量下限随(sui)密度變化(hua)曲線和趨(qu)勢,并對試(shi)驗🧡結果進(jin)行分析解(jie)釋。
2渦街流(liu)量計工作(zuo)原理
　　如圖(tu)1所示,管道(dao)中垂直插(cha)人一梯形(xing)柱狀旋渦(wo)發生體,随(sui)着流體🔴流(liu)動,當管道(dao)雷諾數達(da)到一定值(zhi)時,在旋渦(wo)發生💃🏻體兩(liang)側會交替(ti)地産生有(you)規則的旋(xuan)渦，這種旋(xuan)渦稱爲卡(ka)👌曼渦街📐。
 
　　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ƒ,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ƒ成(cheng)正比,而ƒ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-.定值時(shi)，喉部流速(su)達到最大(da)流速一音(yin)速。此時若(ruo)再減小節(jie)流👌壓力比(bi),流速(流量(liang))将保持音(yin)速不變，不(bu)再受下遊(you)壓力的影(ying)響,而隻與(yu)噴嘴入口(kou)處的滞止(zhi)壓力和溫(wen)度有關,此(ci)時的💰噴嘴(zui)稱爲音速(su)噴嘴,流量(liang)㊙️方程式爲(wei):
 
　　式中:qm爲流(liu)過噴嘴的(de)質量流量(liang);An爲音速噴(pen)嘴喉部面(mian)積🌐;C爲流🌂出(chu)系數;C.爲臨(lin)界流函數(shu);P0爲音速噴(pen)嘴人口處(chu)滞止絕對(dui)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(qi)體常數;M爲(wei)氣體千摩(mo)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻爾質量。
　　從(cong)式(5)可以看(kan)出,一種喉(hou)徑的噴嘴(zui)隻有一個(ge)臨界流量(liang)值，噴嘴入(ru)口的滯止(zhi)壓力和滞(zhi)止溫度不(bu)變時,通過(guo)噴💁嘴的流(liu)量🛀🏻也不變(bian),正是由于(yu)此特性使(shi)音速噴嘴(zui)作爲标準(zhun)件🆚廣泛應(ying)用于氣✉️體(ti)流量标準(zhun)裝置中。
3.2音(yin)速噴嘴氣(qi)體流量标(biao)準裝置
　　音(yin)速噴嘴氣(qi)體流量标(biao)準裝置按(an)照氣源壓(ya)力不同分(fen)爲正⁉️壓法(fa)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(yong)較少的噴(pen)嘴實現較(jiao)寬的流量(liang)範圍✊,而且(qie)較高而可(ke)變的氣源(yuan)壓力可以(yi)使其工作(zuo)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(ya)裝置,具有(you)不同密度(du)(壓力)點上(shang)的試驗能(neng)力,可用于(yu)研究氣體(ti)密度變化(hua)對于流量(liang)儀表性能(neng)的影響。
　　本(ben)文試驗裝(zhuang)置采用正(zheng)壓法,工作(zuo)流量範圍(wei)爲工況2.5~666m³/h,工(gong)作壓力範(fan)圍爲表壓(ya)0.1~0.5MPa,裝置結構(gou)圖如圖2所(suo)示。工作原(yuan)理是:首🥰先(xian)由🈲空壓機(ji)将大氣中(zhong)的空氣送(song)人管道，經(jing)冷幹機除(chu)去水氣後(hou)打人高壓(ya)儲氣罐中(zhong),待儲氣罐(guan)壓力升高(gao)到-定值之(zhi)後,調節🈚穩(wen)壓閥使其(qi)下遊管道(dao)壓力穩定(ding)在合适值(zhi),經穩壓閥(fa)調節💞後進(jin)人試驗管(guan)道的高壓(ya)氣體先後(hou)流經渦街(jie)流量計、滞(zhi)止容器、音(yin)速噴嘴組(zu)、彙氣管、消(xiao)音器後,最(zui)終通向大(da)氣。其中，音(yin)🐉速噴嘴組(zu)由安裝📱在(zai)滞止容器(qi)下遊的11個(ge)不同喉💋徑(jing)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(da)到改變被(bei)測儀表流(liu)量的目的(de)。通過對滞(zhi)止容器☀️上(shang)溫度變送(song)器T、壓力變(bian)送器P1信💔号(hao)采集,代人(ren)公式(5)便可(ke)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(zhuang)态下空氣(qi)密度,進而(er)得到實際(ji)體積流量(liang)。再🏃根據相(xiang)同時間間(jian)隔内渦街(jie)流量計輸(shu)出脈沖的(de)檢測，可最(zui)終實現對(dui)渦街流量(liang)計儀表系(xi)數等流量(liang)特性的研(yan)究💋。
　　上述全(quan)部工作過(guo)程均由計(ji)算機系統(tong)實時控制(zhi)和處理。經(jing)過分析和(he)測試，試驗(yan)裝置精度(du)爲0.5級。
 
4流量(liang)特性試驗(yan)研究
4.1試驗(yan)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(zhi)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(jie)流量計進(jin)行大量的(de)試驗。通過(guo)數♋據分析(xi)，主要從兩(liang)方面考察(cha)介💋質密度(du)變化對渦(wo)街流量計(ji)流量特性(xing)的影響:
(1)考(kao)察渦街流(liu)量計儀表(biao)系數受密(mi)度變化影(ying)響程度,驗(yan)⛱️證卡曼🆚渦(wo)街理論;
(2)考(kao)察渦街流(liu)量計測量(liang)下限随密(mi)度改變的(de)變化趨😍勢(shi),從理論角(jiao)💁度給予解(jie)釋。
4.2試驗數(shu)據及分析(xi)
　　爲了保證(zheng)音速噴嘴(zui)在喉部達(da)到音速,并(bing)結合穩壓(ya)閥的📐調壓(ya)🌂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(qi)介質💛密度(du)分别🌈爲2.774kg/m³、3.619kg/m³、4.782kg/m³、5.987.kg/m³。由(you)于高壓儲(chu)氣罐的容(rong)量有限(12m³),爲(wei)避免當流(liu)量大時管(guan)道内壓力(li)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(zui)🏃🏻‍♂️小流量點(dian)即流量下(xia)🏃‍♂️限正是本(ben)文要研究(jiu)的流量特(te)性之一，由(you)試驗結果(guo)而定。試驗(yan)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(wei)内壓力變(bian)化不超過(guo)1kPa,在📧每個流(liu)量點的每(mei)🐕一次檢定(ding)過程中,壓(ya)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(ke)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(qu)線,并得到(dao)渦街流量(liang)✌️計的流量(liang)特性見表(biao)1。
 
　　式中:(Ki)max、(Ki)min爲各(ge)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(shu)值;Ki爲.第i個(ge)流量點的(de)平均儀表(biao)系數。
　　從圖(tu)3和表1可總(zong)結出以下(xia)幾點結論(lun):(1)不同密度(du)下渦街各(ge)點❓儀表系(xi)數随流量(liang)變化曲線(xian)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(dao)峰值,之後(hou)K值趨于常(chang)數且随着(zhe)密度的增(zeng)大穩定性(xing)愈好⚽,這是(shi)因爲♍,影響(xiang)渦街儀表(biao)系數的斯(si)特勞哈爾(er)數Sr是🌈雷諾(nuo)數Re的函🏃數(shu),而Re的定義(yi)🔞爲:
 
　　式中:μ爲(wei)動力粘度(du)。在流速U相(xiang)同情況下(xia)，ρ變大時Re也(ye)相應變大(da),根據Sr-Re曲線(xian)(5),Sr将更加趨(qu)于平坦,故(gu)K值随着介(jie)質密度的(de)增大穩定(ding)性⛱️愈好。
(2)随(sui)着介質密(mi)度的增大(da),渦街流量(liang)計儀表系(xi)數變化很(hen)小，最大相(xiang)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼對誤差爲(wei):
 
　　因而驗證(zheng)了卡曼渦(wo)街理論得(de)出的渦街(jie)流量計幾(ji)乎不受流(liu)體密度變(bian)化影響的(de)特點,非常(chang)适合于氣(qi)體流量測(ce)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(wo)街流量計(ji)精度爲1.5級(ji),且不受流(liu)體密度變(bian)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(xuan)渦發生體(ti)上的升力(li)FL與被測流(liu)體的密度(du)ρ和流速U平(ping)方成正🌈比(bi)。當壓💘縮空(kong)氣密度ρ升(sheng)💛高時,在保(bao)證渦街流(liu)量計的檢(jian)測靈敏度(du)(即升力F)不(bu)變的情況(kuang)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(hui)相應降⛷️低(di),上述過程(cheng)❄️可表示爲(wei)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(kong)氣密度平(ping)💁方根🈲的🏃倒(dao)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(da)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(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(fu)合公式(10)所(suo)述的線性(xing)關✨系,隻是(shi)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(zui)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(dian))。
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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