摘要:利用(yong)正壓法音速(sù)噴嘴氣體流(liú)量标準裝置(zhi),通過🔆調🏒節試(shi)驗管道中介(jie)質的工作壓(ya)力(0.23~0.5MPa)來改變介(jiè)質密度,分别(bié)在空氣密🏃‍♀️度(du)爲2.774kg/m³、3.619kg/m³、4.782kg/m³、5.987kg/m³四種情況(kuang)下對50mm口徑氣(qi)體渦街流量(liang)計 的流量特(te)性(儀表系數(shù)、線性度、不确(que)定度.流量下(xia)限👅)進行了大(da)量試驗研究(jiu)。試驗結果表(biao)明,不同密度(du)下渦街流量(liàng)計儀表系數(shù)的最大相對(duì)誤差爲0.405%，驗證(zhèng)了渦街流量(liang)計儀表系數(shù)幾乎不🛀🏻受流(liú)體密度變化(huà)的影響;并發(fa)現渦街流量(liàng)計的流量下(xia)限随着介質(zhi)密度的增大(da)而向下延伸(shēn),對此現象進(jin)行了分析。
1引(yin)言
　　氣體渦街(jiē)流量計是一(yi)種利用流體(tǐ)振動原理來(lai)進行流.量💃🏻測(cè)量的振動式(shi)流量計,廣泛(fan)應用于測量(liang)和工業過程(chéng)控制領域中(zhong)。但曆史較短(duǎn),理論基礎和(hé)實踐經驗不(bú)足,還有許多(duo)♋工作需要探(tan)索、充實.
　　渦街(jie)流量計流量(liang)方程經常引(yin)用卡曼渦街(jiē)理論,進而😘得(de)🏃出✉️渦街流量(liang)計旋渦分離(li)的頻率僅與(yǔ)流體工作狀(zhuàng)态下的體積(jī)流量成正比(bi)，而對被測流(liu)體溫度🐅、壓力(li)、密度、粘度和(hé)組分變化不(bu)‼️敏感的特點(dian)田實際應用(yòng)中,現👉場工作(zuo)條🏃🏻‍♂️件的變化(huà)到底會對渦(wo)街流量⭕計測(cè)量帶來多大(dà)的附加誤差(cha)尚不明确。SophieGoujon-Durand研(yan)究了流體粘(zhān)度對渦街⭕流(liú)量計線性度(du)的影響,繪出(chū)不同粘度對(duì)渦街🛀🏻線性度(du)的校正曲線(xiàn)。中提🐪到通過(guo)氣體不同工(gōng)作壓力下的(de)試🌏驗驗證了(le)渦街流量⭐計(jì)不随介質密(mì)度變💃化的結(jie)論,但🌏是并未(wei)給出具體試(shi)驗💞數據。本文(wen)采用試驗方(fang)法,利用正壓(yā)法音速噴嘴(zui)氣體流🈲量标(biāo)準裝置,在不(bu)同介質密度(du)下對渦街流(liú)量計的📐流量(liàng)💃🏻特性進行對(duì)比研究,得到(dao)儀表系數和(hé)流量下限随(sui)密度⚽變化曲(qu)線和趨勢,并(bing)對試驗結果(guo)進行分析解(jie)釋。
2渦街流量(liàng)計工作原理(li)
　　如圖1所示,管(guan)道中垂直插(cha)人一梯形柱(zhu)狀旋渦發生(sheng)體,随着🛀🏻流體(tǐ)✔️流動,當管道(dào)雷諾數達到(dao)一定值時,在(zai)🔱旋渦發生體(ti)兩側會💘交替(tì)地産生有規(guī)則的旋渦，這(zhe)種旋渦稱爲(wèi)卡曼渦街。
 
　　式(shi)中:U1爲旋渦發(fa)生體兩側平(píng)均流速;U爲被(bèi)測介質來流(liú)的☎️平均流速(su);Sr爲斯特勞哈(ha)爾數,對一定(dìng)形狀的旋渦(wō)發生體在一(yi)♌定雷諾數範(fan)圍内爲常數(shu);m爲.旋渦發生(shēng)體兩側弓形(xing)面積與管道(dao)橫截面面積(jī)之比。
　　流體在(zài)産生旋渦的(de)同時還受到(dào)一個垂直方(fāng)向上♊.力的作(zuo)用,根據湯姆(mu)生定律和庫(kù)塔一儒可夫(fū)斯基👉升力定(ding)理,設作用在(zài)旋渦發生體(tǐ)每單位長度(dù)上的升力爲(wèi)👈Fl,有:
 
　　式中:CL爲升(shēng)力系數;ρ爲流(liu)體密度。
　　由于(yu)交替地作用(yong)在發生體上(shang)升力的頻率(lü)就是旋渦的(de)脫落頻率,通(tōng)過壓電探頭(tóu)對FL變化頻率(lü)的檢測,即可(kě)得到ƒ,再由式(shì)(1)可得體積流(liú)量qv;
 
　　式中:K爲渦(wo)街流量計的(de)儀表系數。
　　從(cóng)式(3)、(4)可以看出(chu),對于确定的(de)D和d,流體的體(tǐ)積流量qv與旋(xuan)渦頻率ƒ成正(zheng)比,而ƒ隻與流(liu)速U和旋渦發(fa)生體的幾何(hé)參📞數有關,且(qiě)與被測流體(tǐ)的物性和組(zǔ)分無關，因此(ci)可以💔得出渦(wō)街流量計不(bú)受‼️流體溫度(du)、壓力、密度、粘(zhān)度、組分因素(su)的影響。本文(wén)研🐉究在複雜(zá)的現場環境(jìng)下,工作壓力(li)的增加、介質(zhi)密度的變化(hua)對渦街流💚量(liàng)計測量産生(sheng)的影響。
3試驗(yan)裝置
3.1音速噴(pēn)嘴工作原理(lǐ)
　　文丘利噴嘴(zuǐ)是個孔徑逐(zhú)漸減小的流(liu)道,孔徑最小(xiǎo)的✍️部分稱爲(wei)🚩噴嘴的喉部(bu),喉部的後面(miàn)有孔徑逐漸(jiàn)擴大的流道(dào)。當氣體通過(guò)噴嘴時,喉部(bu)的氣體流速(sù)将随着節流(liú)壓🛀力比減小(xiao)而增大。當節(jie)流壓力比小(xiao)🐪到-.定值時🔞，喉(hóu)部流速達到(dao)最大流速一(yī)音速。此時若(ruò)再減小節流(liú)壓力比,流速(su)(流量)将保持(chi)音速不變，不(bu)🤩再受下遊壓(ya)力的影響,而(ér)隻與噴嘴入(ru)口處的滞止(zhi)壓力和溫度(du)有關,此時的(de)噴嘴稱爲音(yin)速噴嘴,流量(liang)👨‍❤️‍👨方程式爲:
 
　　式(shì)中:qm爲流過噴(pēn)嘴的質量流(liú)量;An爲音速噴(pen)嘴喉部面積(jī)🐪;C爲📧流出☂️系✂️數(shù);C.爲臨界流函(hán)數;P0爲音速噴(pēn)嘴人口處🌈滞(zhi)止絕對♌壓力(li);T0爲音速噴嘴(zui)人口處滞止(zhǐ)絕對溫度;R爲(wèi)通用氣體常(cháng)♋數;M爲氣體千(qian)摩⁉️爾質量。
　　從(cóng)式(5)可以看出(chu),一種喉徑的(de)噴嘴隻有一(yī)個臨界流量(liàng)值，噴嘴入口(kou)的滯止壓力(lì)和滞止溫度(du)不變時,通過(guo)噴嘴的流量(liang)也不變,正是(shi)由于此特性(xing)使音速噴嘴(zui)作爲标準件(jiàn)👣廣泛應用于(yu)氣體流量📱标(biao)準裝置中。
3.2音(yin)速噴嘴氣體(ti)流量标準裝(zhuang)置
　　音速噴嘴(zui)氣體流量标(biao)準裝置按照(zhào)氣源壓力不(bu)同分爲☂️正壓(yā)法🌏和負壓法(fǎ)兩種。
　　正壓法(fa)裝置通過改(gai)變噴嘴人口(kǒu)的滞止壓力(lì)改變流過噴(pēn)嘴的氣體流(liu)量,用較少的(de)噴嘴實現較(jiào)寬的流量範(fàn)圍,而且較高(gāo)而可📐變的氣(qì)源壓力可以(yǐ)使其工作在(zai)正壓(絕壓0.2MPa以(yi)上)狀态下,從(cóng)而氣體密度(du)高于常壓裝(zhuang)置,具有不同(tóng)密度(壓力)點(dian)上的試驗能(néng)力,可用于研(yán)究氣體密度(dù)變化對于流(liú)量儀表性能(neng)的影響。
　　本文(wen)試驗裝置采(cǎi)用正壓法,工(gong)作流量範圍(wéi)爲工況🌈2.5~666m³/h,工作(zuò)壓👄力範圍爲(wei)表壓0.1~0.5MPa,裝置結(jie)構圖如圖2所(suo)示。工作原理(li)是:首先由空(kong)壓機将大氣(qi)中的空氣送(song)人管道，經冷(leng)幹機除去水(shuǐ)氣後打人高(gao)壓儲氣罐中(zhong),待儲氣罐壓(yā)力升高到-定(ding)值之後,調節(jie)💋穩壓閥使其(qi)下遊管💰道壓(yā)力穩定在合(hé)适值,經穩壓(yā)閥調節後進(jin)人試驗管道(dào)的高壓氣體(tǐ)先後流經渦(wo)街流量計、滞(zhì)止容器、音速(sù)噴嘴🌐組、彙氣(qì)管、消音器後(hòu),最終🔞通向大(dà)氣。其中，音速(su)噴嘴組由安(an)裝在滞止容(róng)器下遊的💚11個(ge)不同喉🌂徑音(yin)速噴🚶‍♀️嘴并聯(lian)而成🐆,通過控(kong)制音速噴嘴(zuǐ)下遊的開關(guan)閥門,可以任(ren)😍意選擇音速(su)噴嘴的組合(hé)方式,以⭐達到(dào)改變被測儀(yi)表流量的目(mù)的。通過對滞(zhi)止容器😄上溫(wen)❓度變送器T、壓(ya)力變送器P1信(xin)📐号采集,代人(ren)公式(5)便⭐可得(de)到通過音速(sù)噴嘴的質量(liàng)流量,亦即👄流(liú)過渦街流量(liàng)計處的質量(liang)流🐕量。通過測(cè)量渦街流量(liàng)計處的溫度(dù)T和壓力P,可以(yi)計算出工作(zuò)狀态下空氣(qi)密度,進而得(dé)❌到實際體積(ji)流量。再根據(ju)相同時間🚶‍♀️間(jian)隔内渦💰街流(liú)量計輸出脈(mò)沖的檢測，可(kě)🙇‍♀️最終實現對(dui)渦街流量計(ji)儀表系數等(děng)流量特性的(de)研究。
　　上述全(quán)部工作過程(chéng)均由計算機(ji)系統實時控(kong)制和處理。經(jīng)過分析和測(ce)試，試驗裝置(zhì)精度爲0.5級。
 
4流(liú)量特性試驗(yan)研究
4.1試驗方(fang)案
　　在正壓法(fa)音速噴嘴氣(qi)體流量标準(zhǔn)裝置上,通過(guo)調節滞止壓(ya)力來改變介(jie)質密度,在4個(ge)不同介質密(mi)度🐆條件下,分(fèn)🏃🏻‍♂️别對50mm口徑渦(wo)街流量計進(jìn)行大量的試(shì)驗。通過數據(ju)分析，主要從(cong)🏃🏻‍♂️兩方面考察(cha)介🛀🏻質密度變(biàn)化🚶對渦街流(liú)量計流量特(te)性的影響:
(1)考(kao)察渦街流量(liàng)計儀表系數(shu)受密度變化(hua)影響程度,驗(yàn)證❌卡曼渦🤩街(jiē)理論;
(2)考察渦(wo)街流量計測(cè)量下限随密(mi)度改變的變(bian)化趨勢,從理(li)論角度給予(yu)解釋。
4.2試驗數(shù)據及分析
　　爲(wei)了保證音速(su)噴嘴在喉部(bu)達到音速,并(bing)結合穩壓閥(fá)🥰的調壓🔴範圍(wei)，試驗選擇在(zài)表壓0.13MPa、0.2MPa、0.3MPa.0.4MPa下進行(háng),對應空氣🙇🏻介(jiè)質密度♉分别(bie)爲2.774kg/m³、3.619kg/m³、4.782kg/m³、5.987.kg/m³。由于高壓(ya)儲氣罐的容(róng)量有限(12m³),爲避(bì)免當流量大(dà)😄時管道内壓(ya)力下降迅速(sù)，試驗最大流(liu)量點選擇在(zài)176m³/h(對應流速爲(wèi)25m/s);最小流量點(dian)即流量下限(xian)正是本文🎯要(yao)研究的流量(liàng)特性之一，由(yóu)試驗結果🧑🏾‍🤝‍🧑🏼而(er)定。試驗嚴格(gé)💋按照國家計(ji)量檢定規程(chéng)進行,在每個(gè)介質密🍓度下(xia)整個流量範(fàn)圍内壓力變(bian)化不超過1kPa,在(zai)每個流量點(diǎn)的每一次檢(jiǎn)定過程中📞,壓(yā)縮空氣溫😄度(du)變化不超過(guo)0.5℃
　　根據試驗得(de)到的數據,可(kě)繪制出如圖(tú)3不同空氣密(mì)度下渦街儀(yí)表系數随流(liu)量變化曲線(xiàn),并得到渦街(jiē)流量計的流(liú)量特性見表(biǎo)1。
 
　　式中:(Ki)max、(Ki)min爲各流(liu)量點系數Ki中(zhōng)最大值、最小(xiǎo)值;Kij爲第i個流(liu)量點第j次儀(yí)表系數值;Ki爲(wèi).第i個流量點(dian)的平均儀表(biao)系數⭕。
　　從圖3和(he)表1可總結出(chū)以下幾點結(jie)論:(1)不同密度(du)下渦街各🛀點(diǎn)儀表系數随(suí)流量變化曲(qu)線K-qv具有很好(hao)的相📱似性。小(xiao)流量下⚽K值波(bo)❓動較大,在流(liú)量點22m³/h處達到(dào)峰值,之後K值(zhí)趨于常數且(qie)随着密度的(de)增大穩定性(xìng)愈好,這是因(yin)爲,影響渦街(jiē)📐儀表系數的(de)斯特勞哈爾(ěr)數Sr是雷諾數(shu)Re的函數,而Re的(de)定義爲:
 
　　式中(zhōng):μ爲動力粘度(dù)。在流速U相同(tóng)情況下，ρ變大(dà)時Re也相應變(bian)大,根據Sr-Re曲線(xiàn)(5),Sr将更加趨于(yú)平坦,故K值随(sui)着介質♉密度(du)的增大穩定(dìng)性愈好。
(2)随着(zhe)介質密度的(de)增大,渦街流(liu)量計儀表系(xì)數變化很小(xiao)，最🌈大相對誤(wù)差爲:
 
　　因而驗(yan)證了卡曼渦(wō)街理論得出(chū)的渦街流量(liàng)計幾乎不受(shou)流體密度變(biàn)化影響的特(te)點,非常适合(hé)于氣體流量(liang)測👉量。
(3)随着介(jiè)質密度的增(zeng)大，渦街流量(liàng)計不确定度(dù)和線性度🥰基(jī)🐕本不變,渦街(jiē)流量計精度(dù)爲1.5級,且不受(shou)流體密度變(biàn)化影響。
(4)随着(zhe)介質密度的(de)增大,渦街流(liu)量計流量下(xià)限降低,量程(chéng)擴大。這是因(yīn)爲,由公式(2)可(kě)知,作用在旋(xuán)渦發生體上(shàng)😘的升☂️力FL與被(bèi)測流體👈的密(mì)度ρ和流速U平(ping)方成正比。當(dang)壓縮空氣密(mì)度ρ升📧高時,在(zai)保證渦街流(liú)量計的檢測(ce)靈敏🛀度(即升(shēng)力F)不變的情(qing)況下,測量流(liu)速U會相✂️應降(jiang)低,那麽渦街(jie)流量計的.流(liú)量下限qvmin也會(hui)相應降♻️低,上(shang)述過程🏃可表(biao)示爲下式:
 
　　式(shi)中α爲常數,可(ke)見流量下限(xian)qvmin與相應狀态(tai)下空氣密度(dù)平方根的倒(dǎo)數即ρmin-1/2成正比(bǐ),這就是渦街(jiē)流量計流量(liang)下限随㊙️介質(zhi)密度增大而(er)降低現象出(chū)現的理論分(fen)析。結合表1中(zhōng)💔實際數據,繪(huì)出qvmin~ρmin-1/2曲線,見圖(tú)4。
 
　　由圖4可見,試(shì)驗得到的qvmin~ρmin-1/2曲(qu)線基本符合(he)公式(10)所述的(de)♈線🏃🏻性關系,隻(zhī)是在空氣密(mi)度爲4.782kg/m³點處誤(wù)差較大,這是(shì)由于音速噴(pēn)嘴标準裝置(zhi)🛀🏻對于流量點(dian)調節的非連(lián)續性造成的(de)(在流量點14.8m³/h與(yǔ)9.9m³/h之間無中間(jian)流量點)。
5結論(lun)
(1)随着介質密(mì)度的增大,渦(wo)街流量計儀(yí)表系數變化(huà)很小，最大👨‍❤️‍👨相(xiàng)對誤差僅爲(wei)0.405%,驗證了渦街(jie)流量計幾乎(hū)🔆不受♉流體🈲密(mi)度變化的影(ying)響。
(2)随着介質(zhi)密度的增大(dà),渦街流量計(ji)流量下限降(jiàng)低,量💜程🈚擴大(da),根據作用在(zai)旋渦發生體(ti)上的升力公(gōng):式對此現象(xiàng)進行了理❌論(lùn)分析。

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