摘要:利用正壓(yā)法音速噴嘴氣(qì)體流量(liàng)标準裝置,通過(guò)調節試驗管道中(zhōng)介質的工作壓力(0.23~0.5mpa)來(lái)改變介質密度(dù),分别(bié)在空氣密(mì)度爲(wèi)2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3、5.987kg/m3四(sì)種情況(kuàng)下對(duì)50mm口徑氣體(tǐ)渦街流量計 的(de)流量(liàng)特(tè)性(儀(yí)表(biǎo)系數、線性(xìng)度、不(bú)确定度(dù).流量下(xià)限)進行了大量(liàng)試驗研究。試驗(yàn)結果表明,不同密度下 渦(wō)街流(liú)量計 儀表(biǎo)系數(shù)的最(zuì)大相對誤差0.405%,驗證了渦街(jiē)流量計儀表系(xì)數幾乎不受流體密度(dù)變(biàn)化的(de)影響(xiǎng);并發現渦(wō)街流(liú)量計的流(liú)量下(xià)限随着介(jiè)質密(mì)度(dù)的增大(dà)而向下延伸,對(duì)此現象(xiàng)進(jìn)行了(le)分析。
1引言
　　渦街(jiē)流量計是一(yī)種(zhǒng)利用流(liú)體振動(dòng)原理(lǐ)來(lái)進行流(liú)量測量(liàng)的振動式流量(liàng)計(jì),廣泛(fàn)應用(yòng)于測量和(hé)工業(yè)過程(chéng)控制(zhì)領域(yù)中。但(dàn)曆史(shǐ)較短,理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗不(bú)足,還(hái)有許多工作需要探索、充(chōng)實1.21渦街流量計(jì)最基(jī)本的流量(liàng)方(fāng)程經常引用(yòng)卡曼渦街理論(lùn)，進而得出渦街(jiē)流量計旋(xuán)渦分(fèn)離的(de)頻率僅與(yǔ).流體工作(zuò)狀态(tài)下的體積流量(liàng)成正(zhèng)比(bǐ),而對被測流體溫度、壓(yā)力、密度(dù)、粘度和(hé)組分(fèn)變(biàn)化(huà)不敏(mǐn)感的特點(diǎn)。實際(jì)應用中,現(xiàn)場工(gōng)作條件的(de)變化(huà)到底會對渦街流量計(jì)測(cè)量帶(dài)來多(duō)大的附(fù)加誤差(chà)尚不明确(què)。sophiegoujon-durand研究了流體粘(zhān)度對渦街流量(liàng)計線(xiàn)性度的影(yǐng)響,繪(huì)出(chū)不(bú)同(tóng)粘(zhān)度對渦(wō)街線性(xìng)度的校正(zhèng)曲線[4]”。通過(guò)氣(qì)體(tǐ)不同(tóng)工作壓力下的(de)試驗驗證了渦街流量計(jì)不随(suí)介質(zhì)密度(dù)變化(huà)的結(jié)論，但(dàn)是并(bìng)未給出具體試(shì)驗數據。本文(wén)采(cǎi)用試(shì)驗(yàn)方(fāng)法,利(lì)用正壓(yā)法音速(sù)噴嘴(zuǐ)氣(qì)體流量(liàng)标準裝置(zhì),在不(bú)同介質(zhì)密度下(xià)對渦街流(liú)量計(jì)的流(liú)量特性進(jìn)行對(duì)比研(yán)究，得(dé)到儀表系數和(hé)流量下限(xiàn)随(suí)密(mì)度變化曲(qǔ)線和趨勢,并(bìng)對(duì)試驗(yàn)結果(guǒ)進行分析(xī)解(jiě)釋(shì)。
2渦街(jiē)流量(liàng)計工(gōng)作原理
　　如(rú)圖1所(suǒ)示，管道中(zhōng)垂直插人一梯(tī)形柱(zhù)狀旋渦.發生體,随着流體(tǐ)流動(dòng),當管(guǎn)道雷(léi)諾數達到一定(dìng)值時,在(zài)旋渦發(fā)生體(tǐ)兩側會交(jiāo)替(tì)地(dì)産生(shēng)有規(guī)則的旋渦,這(zhè)種(zhǒng)旋渦稱爲卡曼渦街。

設旋渦發生(shēng)頻率爲，f,旋渦發(fā)生體迎流(liú)面寬(kuān)度爲d,表體(tǐ)通徑爲d,根(gēn)據卡曼渦(wō)街原(yuán)理，可知:

　　式中:u1爲(wèi)旋渦發生(shēng)體兩側平(píng)均流速;u爲被測介質(zhì)來流的平均流(liú)速;sr爲(wèi)斯特勞哈(hā)爾數,對一(yī)定形(xíng)狀的(de)旋渦發生(shēng)體在一定(dìng)雷諾(nuò)數範圍(wéi)内爲常(cháng)數;m爲旋渦(wō)發生(shēng)體兩(liǎng)側弓形(xíng)面積與管(guǎn)道(dào)橫截(jié)面面積(jī)之比。
　　流(liú)體在産生(shēng)旋渦的同(tóng)時還受到(dào)一個(gè)垂直(zhí)方(fāng)向上力(lì)的作(zuò)用,根據湯姆生定律(lǜ)和庫塔(tǎ)一-儒可(kě)夫斯基升(shēng)力定理,設作用在旋(xuán)渦發(fā)生體每單位長度上的升(shēng)力爲(wèi)fl有:

式中:cl爲(wèi)升(shēng)力(lì)系數;ρ爲流(liú)體密度(dù)。
　　由于交替地(dì)作用在發(fā)生體.上升力的(de)頻率(lǜ)就(jiù)是旋渦(wō)的(de)脫落頻率,通(tōng)過壓電探頭對(duì)fl變化頻率的檢(jiǎn)測，即可(kě)得到?再(zài)由式(1)可得體積流(liú)量qv:

式中:k爲渦(wō)街流量(liàng)計(jì)的儀(yí)表系數。
　　從(cóng)式(3)、(4)可(kě)以看出(chū),對于确(què)定的(de)d和d,流體的(de)體(tǐ)積(jī)流量qv與旋(xuán)渦頻率?成(chéng)正比(bǐ),而?隻(zhī)與流(liú)速u和(hé)旋渦發(fā)生體的(de)幾何(hé)參數有關(guān),且與被測流體(tǐ)的物性(xìng)和組分(fèn)無關(guān)，因此(cǐ)可以(yǐ)得出渦(wō)街(jiē)流量計不受流體溫(wēn)度、壓力(lì)、密度、粘(zhān)度、組分因素的(de)影響。本文(wén)研究(jiū)在複雜的現場(chǎng)環境下,工作壓力的增加、介質(zhì)密度(dù)的變(biàn)化對(duì)渦街流量計測(cè)量産生(shēng)的(de)影響。
3試驗(yàn)裝置
3.1音速(sù)噴嘴工作(zuò)原理
　　文丘利噴(pēn)嘴是個孔徑(jìng)逐(zhú)漸減(jiǎn)小的流道,孔徑(jìng)最小的部分稱(chēng)爲(wèi)噴(pēn)嘴(zuǐ)的喉部(bù),喉部的(de)後面(miàn)有孔徑逐(zhú)漸擴大(dà)的流(liú)道(dào)。當氣體通過(guò)噴嘴(zuǐ)時,喉(hóu)部的(de)氣體流速将随(suí)着節流壓力比減小而增(zēng)大。當(dāng)節(jiē)流壓力比小(xiǎo)到(dào)一定值時,喉(hóu)部流速達(dá)到最大流(liú)速(sù)一(yī)音速。此時若再(zài)減小節(jiē)流壓力(lì)比,流速(流量)将(jiāng)保持音速(sù)不變(biàn),不再受下(xià)遊壓(yā)力的影響(xiǎng)，而隻(zhī)與噴嘴(zuǐ)人口處(chù)的滞(zhì)止壓力和溫(wēn)度(dù)有關,此時(shí)的噴嘴(zuǐ)稱(chēng)爲音(yīn)速噴(pēn)嘴,流(liú)量方(fāng)程式(shì)爲:

　　式中:qm爲流過噴嘴的質(zhì)量(liàng)流量;a.爲音速(sù)噴嘴喉(hóu)部面積;c爲流出(chū)系數;c.爲臨界流(liú)函(hán)數;p。爲(wèi)音速(sù)噴嘴(zuǐ)人口(kǒu)處(chù)滞止絕對壓(yā)力;t。爲音速(sù)噴嘴(zuǐ)人口(kǒu)處滞(zhì)止絕對溫(wēn)度;r爲通用氣體(tǐ)常(cháng)數(shù);m爲氣(qì)體千摩爾質量。
　　從式(5)可以看出(chū),一.種喉(hóu)徑的噴(pēn)嘴隻有一(yī)一個(gè)臨界流量(liàng)值,噴嘴人口的滯止(zhǐ)壓力和(hé)滞(zhì)止溫(wēn)度不變時,通過(guò)噴嘴的流量也(yě)不變(biàn),正是由于(yú)此(cǐ)特性使音速噴.嘴作爲标準(zhǔn)件廣泛應用于(yú)氣體流量(liàng)标準(zhǔn)裝置(zhì)中。
3.2音(yīn)速噴(pēn)嘴(zuǐ)氣(qì)體流量标(biāo)準裝置
　　音速噴嘴氣體流量标準裝置按(àn)照氣(qì)源壓(yā)力不同分(fèn)爲正壓(yā)法(fǎ)和負壓法兩種。
　　正壓(yā)法裝置通過改(gǎi)變噴(pēn)嘴人口的滞止壓(yā)力(lì)改變流過噴嘴的氣(qì)體流量,用較(jiào)少的噴嘴(zuǐ)實現較(jiào)寬的流量(liàng)範圍(wéi),而且(qiě)較高而可(kě)變的氣源(yuán)壓力(lì)可以使其工作(zuò)在正壓(絕壓0.2mpa以(yǐ)上)狀态下,從而(ér)氣體(tǐ)密度(dù)高于(yú)常壓裝置,具有(yǒu)不同密(mì)度(壓力(lì))點上(shàng)的試驗能(néng)力,可用于研究氣體(tǐ)密(mì)度變化(huà)對于(yú)流量(liàng)儀表(biǎo)性能(néng)的(de)影(yǐng)響。
　　本(běn)文試(shì)驗裝(zhuāng)置采(cǎi)用正壓法(fǎ),工作(zuò)流量範圍(wéi)爲工(gōng)況2.5~666m3/h,工作(zuò)壓力範(fàn)圍爲表壓(yā)0.1~0.5mpa,裝(zhuāng)置結構(gòu)圖如圖2所(suǒ)示。工作原(yuán)理是(shì):首先(xiān)由(yóu)空壓機(jī)将大氣中的空(kōng)氣送(sòng)人管道(dào)，經冷幹機除(chú)去水(shuǐ)氣後打人高壓(yā)儲氣(qì)罐中(zhōng),待儲氣罐壓力升高(gāo)到-定(dìng)值之(zhī)後,調節穩壓閥使其下遊管道(dào)壓力穩定在合适值(zhí),經穩壓閥(fá)調節後進入試驗管(guǎn)道的高壓(yā)氣體(tǐ)先後流經(jīng)渦街(jiē)流量計、滯止容(róng)器、音速噴嘴組(zǔ)、彙氣管、消(xiāo)音器(qì)後,最終通向大(dà)氣。其中，音速噴(pēn)嘴組(zǔ)由(yóu)安裝在(zài)滞止容器(qì)下遊的11個不同喉徑(jìng)音速噴嘴(zuǐ)并聯(lián)而成,通過控制(zhì)音速噴嘴下遊的開(kāi)關閥門,可(kě)以任意選擇音(yīn)速噴嘴的組合(hé)方式，以達到改變被(bèi)測儀表流(liú)量的目的。通過(guò)對滞(zhì)止容器上(shàng)溫度變送(sòng)器t、壓(yā)力變(biàn)送(sòng)器p,信号采集,代人公式(shì)(5)便可得到通過(guò)音速(sù)噴嘴的質量流量(liàng),亦即流(liú)過渦街流量計(jì)處的質量流量(liàng)。通過測量渦街流量計處(chù)的溫(wēn)度t和壓力p,可以(yǐ)計算(suàn)出(chū)工作狀(zhuàng)态下空(kōng)氣(qì)密度(dù),進(jìn)而得到(dào)實際(jì)體積流量(liàng)。再根(gēn)據相(xiàng)同時(shí)間間(jiān)隔内渦街(jiē)流量(liàng)計輸出脈沖的(de)檢測，可最(zuì)終實(shí)現對渦(wō)街流量計儀表系數等流量(liàng)特(tè)性的研(yán)究。
上述(shù)全部工(gōng)作過程(chéng)均(jun1)由計(jì)算機(jī)系統實時控制和處理。經(jīng)過分析(xī)和測試(shì)，試驗裝(zhuāng)置精确度爲0.5級。

4流量特(tè)性試驗(yàn)研究
4.1試驗方案
在(zài)正壓法音速噴嘴氣(qì)體流量标準裝(zhuāng)置，上(shàng),通過(guò)調節(jiē)滞止壓(yā)力(lì)來(lái)改變介質密(mì)度,在4個不同介質密(mì)度條(tiáo)件(jiàn)下(xià),分别(bié)對50mm口徑(jìng)渦(wō)街流(liú)量計進行大量(liàng)的試驗(yàn)。通(tōng)過數據分(fèn)析,主要從(cóng)兩方(fāng)面考察介(jiè)質(zhì)密(mì)度變(biàn)化對(duì)渦街流量計(jì)流(liú)量特(tè)性的(de)影響:
(1)考察渦(wō)街(jiē)流量計儀(yí)表(biǎo)系數受(shòu)密度變(biàn)化影響程度,驗證卡曼渦街理論(lùn);
(2)考察(chá)渦街流(liú)量計測(cè)量下(xià)限随(suí)密度改變(biàn)的變化趨(qū)勢,從理(lǐ)論角度(dù)給予解釋。
4.2試驗(yàn)數據及(jí)分析
爲了保(bǎo)證音速噴(pēn)嘴在喉部(bù)達到(dào)音速(sù),并結合穩(wěn)壓閥(fá)的調(diào)壓範(fàn)圍，試(shì)驗(yàn)選擇在(zài)表壓(yā)0.13mpa、0.2mpa.0.3mpa、0.4mpa下進(jìn)行,對應空氣介質密(mì)度分别爲(wèi)2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3.5.987kg/m3。由于(yú)高壓儲氣(qì)罐的(de)容量有限(12m'),爲避免當(dāng)流(liú)量大時(shí)管道内(nèi)壓力下(xià)降迅速，試驗最(zuì)大流量點(diǎn)選擇(zé)在176m3/h(對應(yīng)流速爲(wèi)25m/s);最小(xiǎo)流量點即(jí)流量下限正是(shì)本文要研(yán)究的流量(liàng)特性之一，由試驗(yàn)結(jié)果而定。試(shì)驗(yàn)嚴格按(àn)照國家計量檢(jiǎn)定規(guī)程進(jìn)行,在(zài)每個介(jiè)質密度(dù)下整個流量範(fàn)圍内壓(yā)力(lì)變化(huà)不超過1kpa,在每個(gè)流量點的每一(yī)次檢(jiǎn)定過(guò)程中(zhōng)，壓縮空(kōng)氣(qì)溫度變化(huà)不超過0.5℃。
根(gēn)據試驗得到的(de)數據(jù),可(kě)繪制出如圖(tú)3不同(tóng)空氣(qì)密度(dù)下(xià)渦街儀(yí)表系(xì)數随流量(liàng)變(biàn)化(huà)曲線，并得(dé)到渦街流(liú)量計(jì)的流量(liàng)特(tè)性見(jiàn)表1。

從圖(tú)3和表1可(kě)總結(jié)出以下幾(jǐ)點結論:
(1)不同密(mì)度下渦(wō)街(jiē)各點(diǎn)儀表(biǎo)系數(shù)随流(liú)量變化曲線k-q,具(jù)有很好的相似性。小流量下k值(zhí)波動(dòng)較大,在流(liú)量點(diǎn)22m3/h處(chù)達到峰(fēng)值,之後k值趨于常數且随着密(mì)度的增(zēng)大穩定(dìng)性愈(yù)好,這(zhè)是因(yīn)爲,影響渦(wō)街儀表系(xì)數的斯特勞哈(hā)爾數sr是雷諾(nuò)數(shù)re的函(hán)數,而(ér)re的定義爲(wèi):

式中:μ爲動力粘度。在(zài)流速u相(xiàng)同情況(kuàng)下,ρ變大時re也相(xiàng)應變大,根(gēn)據sr-re曲(qǔ)線'),sr将更加趨于平坦,故k值(zhí)随着(zhe)介質(zhì)密(mì)度的增(zēng)大穩(wěn)定性愈好。
(2)随着介質密度(dù)的增大(dà),渦(wō)街(jiē)流量計(jì)儀表系數(shù)變化很(hěn)小,最大相對誤差爲:

因(yīn)而驗證了卡曼(màn)渦街理論得出的渦街流(liú)量計(jì)幾乎(hū)不(bú)受流體(tǐ)密度變(biàn)化(huà)影響的(de)特(tè)點,非常适(shì)合于氣體流量測量。
(3)随着(zhe)介質(zhì)密度的(de)增(zēng)大,渦(wō)街流(liú)量計不确(què)定度和(hé)線性度(dù)基本不變(biàn),渦街(jiē)流量計準(zhǔn)确度爲1.5級,且不受流(liú)體密度變化影(yǐng)響(xiǎng)。
(4)随(suí)着介(jiè)質密(mì)度的(de)增大,渦街流量計流(liú)量下限降(jiàng)低,量程擴(kuò)大。這是(shì)因爲,由(yóu)公式(2)可知,作用在旋渦發生體(tǐ)上的升力(lì)fl與被(bèi)測流體(tǐ)的密度(dù)ρ和流速u平(píng)方成(chéng)正比(bǐ)。當壓縮空(kōng)氣密(mì)度ρ升高(gāo)時(shí),在保證渦街流量計的檢(jiǎn)測靈敏度(即升力fl)不(bú)變的情況(kuàng)下,測(cè)量流(liú)速(sù)u會相應(yīng)降低(dī),那麽(me)渦街(jiē)流量(liàng)計的流量(liàng)下限(xiàn)q.mi也會相應(yīng)降低，上述過程(chéng)可表示爲(wèi)下式(shì):


5結論
(1)随(suí)着(zhe)介質(zhì)密度的增(zēng)大,渦(wō)街流量計(jì)儀表(biǎo)系數變化很小(xiǎo),最大相(xiàng)對誤差(chà)僅爲0.405%,驗證(zhèng)了渦街流量計幾乎不受(shòu)流體密度(dù)變化的影響。
(2)随(suí)着介質密度的(de)增大(dà),渦街流量(liàng)計流量(liàng)下(xià)限降低,量(liàng)程擴大,根(gēn)據作用在旋渦(wō)發生(shēng)體上的升(shēng)力公式對此現(xiàn)象進行(háng)了理論(lùn)分析(xī)。

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