摘要:利用(yòng)正壓法音速噴(pēn)嘴氣體流量标(biao)準裝置,通♊過☔調(diao)節試驗管道中(zhong)介質的工作壓(ya)力(0.23~0.5MPa)來改變介質(zhì)密度,分别在空(kong)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(liang)計 的流量特性(xing)(儀表系數、線性(xing)度、不确定度.流(liu)量下限)進行🏃了(le)💛大量試驗研究(jiu)。試驗結果表明(ming),不同密度下 渦(wō)街流量計 儀表(biǎo)系數的最大相(xiang)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(biàn)化的影響;并發(fā)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(yan)伸,對此現象進(jin)行🙇‍♀️了分析。
1引言(yan)
　　渦街流量計是(shì)一種利用流體(tǐ)振動原理來進(jin)行流量測量的(de)振動式流量計(jì),廣泛應用于測(ce)量和工業過程(cheng)控制領域中。但(dan)曆史較短,理論(lun)基礎和實踐經(jīng)驗不足,還有許(xu)👨‍❤️‍👨多工作🤞需要探(tàn)🌈索、充實1.21渦街流(liú)量計最基本的(de)流量方程經常(cháng)引用🏃卡曼渦街(jiē)理論，進而得出(chu)渦街流量計旋(xuan)渦分離的頻率(lü)僅與.流體工作(zuò)‼️狀态下的體積(jī)🈲流量成正比,而(ér)對被測流體溫(wēn)度、壓力、密度、粘(zhan)度和組分變化(hua)不敏感的特點(dian)。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(ce)量帶來多大的(de)附加誤差尚不(bú)明确。SophieGoujon-Durand研究了流(liu)🔴體粘度對渦街(jie)流量計🏃🏻線性度(du)㊙️的影響,繪出不(bu)同粘度對🈲渦街(jie)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(dan)是并未給出具(ju)體試驗數據。本(ben)文采用試驗方(fang)法,利用正壓法(fǎ)🐪音速噴嘴氣體(tǐ)🔴流量标準裝⚽置(zhì),在不同介質密(mi)度下對渦街流(liu)🏃‍♂️量計的流量特(te)性進行對比研(yan)究，得到儀表系(xì)✔️數和流量下限(xian)随密度變化曲(qǔ)線和趨勢,并對(duì)試驗結果進行(hang)分析解釋。
2渦街(jiē)流量計工作原(yuan)理
　　如圖1所示，管(guǎn)道中垂直插人(ren)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(dao)一定值時,在旋(xuan)渦發生體兩側(ce)會交替地産生(shēng)有規則的旋渦(wō),這種旋渦稱爲(wei)卡曼渦街。

設旋渦(wō)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(kě)知:

　　式中:U1爲旋渦(wo)發生體兩側平(píng)均流速;U爲被測(ce)介質來🧡流的平(píng)😄均💜流❗速;Sr爲斯特(te)勞哈爾數,對一(yī)定形狀的旋渦(wō)發生體在一🍓定(dìng)雷諾數🛀🏻範圍内(nei)爲常數;m爲旋渦(wo)發❤️生體兩💃側弓(gong)形面積與管道(dao)橫截面面積之(zhi)比。
　　流體在産生(shēng)旋渦的同時還(hai)受到一個垂直(zhi)方向上力的作(zuo)用,根⭐據湯姆生(shēng)定律和庫塔一(yī)-儒可夫斯基升(shēng)力定理💘,設作用(yòng)在旋渦發生體(tǐ)每單位長度上(shàng)的升力爲FL有:

式(shì)中:cL爲升力系數(shù);ρ爲流體密度。
　　由(yóu)于交替地作用(yong)在發生體.上升(shēng)力的頻率就是(shi)旋渦✏️的脫😍落頻(pín)率,通過壓電探(tàn)頭對FL變化頻率(lü)的檢測㊙️，即可得(dé)到?再由式(1)可得(dé)體積流量qv:

式中(zhong):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(liú)體的體積流量(liàng)qv與旋渦🛀頻🛀率?成(chéng)正比,而?隻與流(liu)速U和旋渦發生(shēng)體的幾🎯何參數(shù)有關,且💚與被測(cè)流體的物性和(he)組分無關，因🈚此(ci)可以得出渦街(jie)流量計不受流(liu)體溫度、壓力、密(mì)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(zhi)
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(bù)分🔆稱爲噴嘴的(de)喉部,喉部的後(hou)面有孔徑逐漸(jian)擴大的流道。當(dāng)氣體通過噴嘴(zuǐ)時,喉部的氣體(ti)流速将随着節(jiē)流壓力比減🍉小(xiǎo)而增大。當節流(liu)壓力比小到一(yī)定值時,喉部流(liu)📐速達到最大流(liú)速一🛀🏻音速。此時(shi)若再減小節流(liú)壓力比,流速(流(liú)量)将保持音速(su)不變,不再受下(xià)遊壓力的影響(xiang)，而隻🌂與噴嘴人(ren)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(wei)音速噴嘴喉部(bu)面積🛀;C爲流出系(xi)數;C.爲臨界流函(hán)數;P。爲音速噴嘴(zuǐ)人口處滞止絕(jue)對壓力;T。爲音📱速(sù)噴嘴人口處滞(zhi)止絕對溫度;R爲(wèi)通用氣體常數(shù);M爲氣體千摩爾(ěr)質量。
　　從式(5)可以(yǐ)看出,一.種喉徑(jìng)的噴嘴隻有一(yi)一個臨界流量(liang)值,噴嘴人口的(de)滯止壓力和滞(zhi)止溫度不變時(shi),通過噴嘴的流(liú)量也不變,正是(shì)由于此特性使(shi)音速🔴噴.嘴作📞爲(wèi)标準件廣泛應(ying)用于氣體流量(liang)标準裝置♈中。
3.2音(yin)速噴嘴氣體流(liú)量标準裝置
　　音(yin)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(zhong)。
　　正壓法裝置通(tong)過改變噴嘴人(rén)口的滞止壓力(li)改變流過🐇噴🔞嘴(zuǐ)的氣體流量,用(yòng)較少的噴嘴實(shí)現較寬的💚流量(liang)範圍,而且較高(gao)🥰而可🧡變的氣源(yuán)壓力可以使其(qí)工作在正壓(絕(jué)壓0.2MPa以上)狀态下(xià),從而氣體密度(dù)高于常壓裝置(zhì),具有不同密度(dù)(壓力)點上的試(shì)驗能力,可㊙️用于(yú)研究氣✉️體密度(dù)變化對于流量(liàng)儀表性能的影(ying)🈲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(guan)道，經冷幹機除(chú)去水氣後🌍打人(rén)高壓儲氣罐中(zhōng),待儲氣罐壓力(li)升高到-定值㊙️之(zhi)後,調節穩壓閥(fa)使其下遊管💚道(dao)壓力穩定🥰在合(hé)适值,經穩壓閥(fá)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(yin)速噴嘴組由安(ān)裝💁在滞止容器(qì)下遊的11個不同(tong)喉徑音速噴🐪嘴(zui)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(xuan)擇音速噴嘴的(de)組合方式，以達(dá)到改變被測儀(yí)表流量的目的(de)。通過對滞止容(róng)器🔞上溫⭐度變送(song)器T、壓力變送器(qi)P,信号👣采集,代人(rén)公式(5)便可得到(dao)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(gōng)作狀态下空氣(qi)密度,進而得到(dao)實際♊體積流量(liàng)。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(xì)數等流量特性(xing)的研究。
上述全(quán)部工作過程均(jun)由計算機系統(tǒng)實時控制和處(chu)理。經♻️過分析和(he)測試，試驗裝置(zhi)精确度爲0.5級。

4流(liu)量特性試驗研(yan)究
4.1試驗方案
在(zai)正壓法音速噴(pen)嘴氣體流量标(biao)準裝置，上,通過(guo)調節滞止壓力(li)🛀來改變介質密(mi)度,在4個不同介(jiè)質密度條件下(xia),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(jie)流量計儀表系(xì)數受密度變化(hua)影響程度🌐,驗證(zheng)卡曼渦街理論(lùn);
(2)考察渦街流量(liang)計測量下限随(suí)密度改變的變(bian)化趨勢,從理論(lùn)角度給予解釋(shi)。
4.2試驗數據及分(fèn)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(diao)壓範圍，試驗選(xuan)擇在表壓0.13MPa、0.2MPa.0.3MPa、0.4MPa下進(jin)行,對應空氣介(jiè)質密度分别爲(wèi)2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3.5.987kg/m3。由于高🥵壓儲氣(qì)罐的容量有限(xian)(12m'),爲避免當流量(liàng)大時管道内壓(yā)力下降迅🔞速，試(shì)驗最大流量點(diǎn)選擇在176m3/h(對應流(liú)速爲25m/s);最小流量(liang)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(jie)果而定。試驗嚴(yán)格🧑🏽‍🤝‍🧑🏻按照國家計(jì)量檢定規程進(jìn)行,在每個介質(zhi)密度下整❓個流(liú)量範圍内壓🐇力(lì)變化不超過1kPa,在(zài)🍉每個流量點的(de)每一次檢定過(guò)程中，壓縮空氣(qi)溫度變化不超(chāo)過0.5℃。
根據試驗得(de)到的數據,可繪(huì)制出如圖3不同(tóng)空氣密度💃下渦(wo)街儀表系數随(sui)流量變化曲線(xian)，并得到渦街流(liú)量🌈計的流量特(te)性見表1。

從圖3和(he)表1可總結出以(yǐ)下幾點結論:
(1)不(bu)同密度下渦街(jie)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(da),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(dà)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(wèi):

式中:μ爲動力粘(zhān)度。在流速U相同(tóng)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(xìng)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(xiǎo),最大相對誤差(cha)爲:

因而驗證了(le)卡曼渦街理論(lùn)得出的渦街流(liu)量計幾🏃🏻‍♂️乎不受(shòu)流㊙️體密度變化(hua)影響的特點,非(fei)常适合于氣體(ti)流量測量。
(3)随着(zhe)介質密度的增(zeng)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(zhǔn)确度爲1.5級,且不(bu)受流體密☎️度變(bian)化影響。
(4)随着介(jie)質密度的增大(dà),渦街流量計流(liu)量下限降低,量(liang)💃程擴大。這是因(yin)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(sheng)高時,在保證渦(wō)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(hui)相應降👄低，上述(shù)過程可表示爲(wèi)下式:


5結論
(1)随着(zhe)介質密度的增(zeng)大,渦街流量計(jì)儀表系數變化(huà)很💛小,最🐉大相🔴對(duì)誤差僅爲0.405%,驗證(zhèng)了渦街流量計(ji)幾乎不受流體(ti)密度變化的影(ying)響。
(2)随着介質密(mi)度的增大,渦街(jie)流量計流量下(xia)限降低,量🌏程擴(kuò)大,根✉️據作用在(zai)旋渦發生體上(shàng)的升力公式對(duì)此現象進行了(le)理論分析。

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