摘要(yào):一種(zhǒng)執行德國标準din2501的進(jìn)口氣(qì)體渦街流(liú)量(liàng)計 安裝在國标流量裝(zhuāng)置上進行(háng)标定(dìng)時(shí)，因(yīn)兩(liǎng)者管道(dào)内徑尺寸存在差異(yì)，導緻常規(guī)方法(fǎ)下測壓位置的(de)選(xuǎn)取(qǔ)對标(biāo)準裝(zhuāng)置體(tǐ)積流(liú)量值(zhí)的計算正(zhèng)确率造成影響，因而産生實驗誤差(chà);本文對這(zhè)一現象進行分(fèn)析研究，并通過(guò)多組實驗數據(jù)對比(bǐ)，驗證了系統誤差确實存(cún)在，但在常溫常(cháng)壓以空(kōng)氣作介(jiè)質的實(shí)驗(yàn)條件下，此誤差的影(yǐng)響量(liàng)很小，一般可忽(hū)略(luè)不計，由(yóu)此說明應(yīng)用常(cháng)規的(de)實(shí)驗方法(fǎ)對該類進(jìn)口渦(wō)街流量計進行(háng)标定也(yě)是可行的。
0引言
　　渦街流(liú)量計 是通(tōng)過卡門漩(xuán)渦(wō)原(yuán)理測量流(liú)體流量的(de)一(yī)種儀表(biǎo)，相比(bǐ)上世紀80年代使(shǐ)用較爲廣泛的(de)孔闆(pǎn)流量計，其具有結構簡單(dān)，壓(yā)力損失(shī)小，量(liàng)程範圍寬，便于(yú)安裝等(děng)優點［1］。因(yīn)此，随(suí)着(zhe)技(jì)術的(de)發展，渦街流量(liàng)計在(zài)工業(yè)計量(liàng)上的(de)使(shǐ)用(yòng)逐漸成爲(wèi)主(zhǔ)流(以下(xià)簡稱(chēng)流(liú)量(liàng)計或儀表)。
1工作原理
　　流量計通(tōng)過在(zài)流體(tǐ)中(zhōng)設置三(sān)角柱型旋渦發生體(tǐ)，使(shǐ)流體産(chǎn)生卡門(mén)漩(xuán)渦，在(zài)一(yī)定雷諾數範(fàn)圍内，旋渦(wō)的釋放頻率(lǜ)與流體(tǐ)平均流速、旋渦發生(shēng)體(tǐ)特征寬度有關(guān)，通過測(cè)量旋渦頻(pín)率可以計算出流體的流速(sù)，再測得流量(liàng)計管(guǎn)道截(jié)面積(jī)可(kě)換(huàn)算得(dé)體積流量(liàng)［1－2］。
2氣體流量标(biāo)準裝置(zhì)
　　流量計在投入使用(yòng)前進行量(liàng)值溯(sù)源是(shì)不可(kě)缺少的環節，而(ér)在量值傳(chuán)遞工作的開展(zhǎn)中，負(fù)壓法臨界(jiè)流文(wén)丘裏(lǐ)噴嘴氣體(tǐ)流量标準(zhǔn)裝(zhuāng)置(zhì)是一(yī)種十(shí)分典(diǎn)型常見(jiàn)的(de)流量(liàng)标準裝置，如圖(tú)1所示(shì)，它具備結(jié)構簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、适用(yòng)範圍廣(guǎng)等優點，其工作(zuò)原理是當(dāng)氣體在噴嘴上下遊(yóu)的壓差達到一(yī)定值(zhí)時将形成(chéng)臨界(jiè)流，此(cǐ)時流(liú)經噴嘴喉部的(de)氣體(tǐ)流速達到(dào)最大值，測量該(gāi)狀态下流(liú)體的(de)溫度(dù)、靜壓、濕度(dù)，由密(mì)度換算得(dé)流過(guò)噴(pēn)嘴的氣(qì)體質量流量，根(gēn)據連續性(xìng)原理(lǐ)，流場(chǎng)内(nèi)各處質量流(liú)量相等［3］。通(tōng)過選(xuǎn)用不同的(de)噴嘴(zuǐ)組合(hé)使标(biāo)準流量(liàng)可控，以滿足對流量計(jì)進行标定的實驗(yàn)需求。
 
3執行标(biāo)準不同(tóng)帶(dài)來的(de)管徑差異
　　以無縫鋼管爲(wèi)例，由(yóu)于存在标準體(tǐ)系、尺寸的單位(wèi)制等差異，再有(yǒu)加工誤差因素，标稱(chēng)通(tōng)徑(jìng)相同(tóng)的兩段管道，它(tā)們的(de)實際内徑(jìng)尺寸也(yě)不(bú)盡然相等(děng)。如圖2所示(shì)，這款prowirl72f系(xì)列(liè)的德國進口endress+hauser品牌流(liú)量計，參考說明(míng)書标(biāo)示，如圖3所示，其表體管道生産工(gōng)藝依據(jù)德标din2501标準，部分(fèn)規格的流(liú)量計(jì)外形尺寸如表1所示(shì)，常見用于(yú)中低壓(yā)環(huán)境下(xià)的流量計(jì)内徑(jìng)d普遍比标(biāo)稱值(zhí)偏大(dà)約3%至7%。而在(zài)國内用于(yú)标定流量(liàng)計(jì)的(de)标準(zhǔn)裝置(zhì)爲保(bǎo)障通(tōng)用性需求，一般(bān)遵循(xún)我國現行的國家标準設(shè)計，其中直管段部分(fèn)選材依據(jù)gb/t17395－2008，各規格的管道通徑尺寸與(yǔ)标稱值接近相等，在對上(shàng)述(shù)德标(biāo)流量計(jì)進(jìn)行标定時，會(huì)出(chū)現因(yīn)兩者管道(dào)内(nèi)徑(jìng)存在(zài)一(yī)定(dìng)差異(yì)的情(qíng)況，将可能(néng)帶來實驗誤差(chà)。  
 
4标定誤差來源(yuán)分析
　　渦街(jiē)流量(liàng)計本質上是一(yī)種速(sù)度(dù)式流量(liàng)計，其直接(jiē)測量(liàng)的(de)量爲介質的(de)流速，考慮到(dào)由(yóu)于體積流(liú)量僅(jǐn)以介質流速及(jí)截面(miàn)積确定，不(bú)受其他因(yīn)素影(yǐng)響，因此，一般(bān)以(yǐ)體積流量(liàng)進行(háng)示值誤差或儀(yí)表系數(shù)的計算(suàn)依據。
　　在使用文(wén)丘裏噴嘴氣體流量(liàng)标準(zhǔn)裝置(zhì)對流量(liàng)計進行(háng)标定(dìng)時，根據連(lián)續性(xìng)原理，達到臨界(jiè)條件後，隻(zhī)要分别測得被(bèi)檢流(liú)量計、噴嘴(zuǐ)兩處的氣體溫度、靜壓、濕度，則(zé)可通過密度關(guān)系計(jì)算被(bèi)檢表(biǎo)處流量(liàng)标準值(zhí)，即标(biāo)準裝置示(shì)值，再(zài)讀(dú)取(qǔ)流量(liàng)計示值即可計(jì)算示(shì)值誤(wù)差。但(dàn)如上(shàng)文所示的流量(liàng)計(jì)一(yī)般無(wú)法(fǎ)直(zhí)接測(cè)量其(qí)内部氣體(tǐ)狀态參數(shù)，而隻(zhī)能在(zài)儀表上、下遊的(de)管道(dào)上(shàng)進行開(kāi)孔(kǒng)測(cè)量作近似(sì)估值，通過(guò)此方式所測流(liú)量标準值實際爲測(cè)量孔(kǒng)截面(miàn)處氣(qì)體流量。考慮到(dào)在實(shí)驗室條件(jiàn)下，氣(qì)體的溫度(dù)、濕度基本恒定(dìng)，而在不同的位(wèi)置測量的(de)靜壓(yā)值則有較大(dà)差(chà)異，因此，測(cè)壓位(wèi)置的(de)選(xuǎn)取對體積流量标(biāo)準值的計(jì)算正确率(lǜ)起重要(yào)影響。根(gēn)據　　jjg1029－2007《渦(wō)街流量計(jì)檢定(dìng)規程》，一般(bān)于儀(yí)表下遊段(duàn)2至7倍内徑距離(lí)的範圍(wéi)内都(dōu)可認爲是合(hé)理的(de)測壓位(wèi)置，所測(cè)靜壓與儀表内(nèi)部實(shí)際值近似(sì)視作相等［4－5］，但當被檢儀(yí)表爲上(shàng)文所(suǒ)述(shù)e+h流量計(jì)時，由(yóu)于其(qí)表體(tǐ)管道内徑(jìng)稍大于标準裝(zhuāng)置管(guǎn)道，則儀表(biǎo)與直(zhí)管段間連接處(chù)将出現突(tū)變轉(zhuǎn)折截(jié)面，如圖4所(suǒ)示，當氣體流經轉折面(miàn)時(shí)，将産(chǎn)生一定壓(yā)力損失，此(cǐ)時(shí)下(xià)遊段(duàn)測壓(yā)處所(suǒ)測得(dé)氣體靜壓理論(lùn)上比儀表内部實際值(zhí)小，導緻(zhì)計算所(suǒ)得标準(zhǔn)體積流量比儀(yí)表處實際值大，且流量越大該(gāi)過程的(de)壓能損(sǔn)失越(yuè)多(duō)，下遊測(cè)壓計算所得标(biāo)準值越(yuè)偏離真(zhēn)值，這種誤差可(kě)認爲(wèi)是實驗方(fāng)法引(yǐn)起的系統誤(wù)差［6］。
 
4.1機械能損(sǔn)失(shī)分析
　　因流(liú)量計傳感(gǎn)器(qì)組成部分前後均(jun1)有一定(dìng)長(zhǎng)度表體(tǐ)直(zhí)管段(duàn)且與(yǔ)标準(zhǔn)裝置(zhì)管道間内徑差異(yì)較小，流場擾(rǎo)動基本被儀表本身抗幹(gàn)擾能(néng)力克服，可認爲(wèi)流量(liàng)計(jì)計量性(xìng)能不(bú)受影響，則(zé)隻需考慮氣體靜壓測(cè)量(liàng)值的(de)正确率(lǜ)。從能量(liàng)損失(shī)角(jiǎo)度(dù)分析:如圖5所示(shì)，由于(yú)流線(xiàn)不(bú)能轉(zhuǎn)折，流體(tǐ)在(zài)流經突(tū)然收縮斷面時(shí)，将形(xíng)成流(liú)股收(shōu)縮(suō)，至(zhì)c－c斷(duàn)面後逐(zhú)漸擴散，在此過(guò)程中(zhōng)，流體(tǐ)先有加速的(de)收(shōu)縮流(liú)後減速的(de)擴散(sàn)流兩(liǎng)者都産生(shēng)阻力［7］。爲簡化分析此過程(chéng)中的(de)能量損失，設流(liú)體爲不可(kě)壓縮流體，設c－c斷(duàn)面處(chù)的理想平(píng)均流(liú)速爲v0，根(gēn)據(jù)伯努(nǔ)利方程:
 
　　式中，α1爲(wèi)動能修正系數，無量(liàng)綱;v1爲斷面(miàn)1－1處流體平(píng)均流(liú)速，m/s;p1爲斷面1－1處流體靜壓(yā)，n/m2;α0爲動能修正系數，無量綱(gāng);v0爲斷面c－c處流(liú)體理想平均流速，m/s;pc爲(wèi)斷面c－c處流(liú)體靜壓，n/m2;ρ爲流體(tǐ)密度(dù)，kg/m3;g爲重(zhòng)力加(jiā)速度，n/kg或(huò)m/s2。
　　實際上(shàng)從1－1斷面至(zhì)c－c斷面(miàn)間存(cún)在一定能(néng)量損失，假(jiǎ)設爲(wèi)u1，再者(zhě)c－c斷面(miàn)的實(shí)際平(píng)均流速νc要比v0稍(shāo)小一些，它們的比值νc/v0=cν，稱爲(wèi)流速(sù)系(xì)數，一般(bān)約爲0.99～0.97［7］，基(jī)于(yú)本文所讨論情(qíng)況，該(gāi)斷面收縮較小，取cν=0.99計算，且(qiě)在紊(wěn)流狀态下α1=α0=1，即:
 
 
　　由于在标定(dìng)實驗(yàn)中(zhōng)，流體介(jiè)質一(yī)般爲(wèi)空氣，而空(kōng)氣是一種(zhǒng)可壓縮流體，考慮到(dào)在重(zhòng)力場(chǎng)中，可(kě)壓縮性流(liú)體的(de)勢能與壓(yā)力能(néng)、動能(néng)比較起來(lái)是小得可以忽略不(bú)計的［7－8］，即伯努利(lì)方程可簡(jiǎn)化爲(wèi)以下形式(shì):
 
　　其中c爲常數，且(qiě)氣體在(zài)流量計(jì)内(斷面1－1處(chù))流至測壓(yā)處(斷面2－2)的(de)過程(chéng)中(zhōng)可(kě)近似(sì)地看作等(děng)熵過程，因此，有(yǒu)p1/ρk1=p2/ρk2，ρ1=p1/p2()1/kρ2，對于空氣(qì)的等(děng)熵指(zhǐ)數k≈1.4，由于(yú)在(zài)此過(guò)程中單(dān)位(wèi)質(zhì)量(liàng)流體(tǐ)的能(néng)量損失u很小，爲簡化(huà)分析直接(jiē)用ρ2計算其(qí)機械能損(sǔn)失，則(zé)方程可寫(xiě)爲：
 
　　式中(zhōng)，p1爲流量(liàng)計内(斷(duàn)面(miàn)1－1處)空(kōng)氣靜壓，n/m2;ρ1爲(wèi)流量(liàng)計(jì)内(斷(duàn)面1－1處)空氣密(mì)度，kg/m3;v1爲流量(liàng)計内(斷面(miàn)1－1處)空氣平(píng)均流速，m/s;p2爲(wèi)測壓(yā)點(斷面2－2處)空氣(qì)靜壓，n/m2;ρ2爲測(cè)壓點(斷(duàn)面2－2處)空氣密度(dù)，kg/m3;v2爲(wèi)流量(liàng)計内(斷(duàn)面(miàn)2－2處)空(kōng)氣平均(jun1)流速，m/s。
　　由于在标定實驗(yàn)中，空(kōng)氣的質量流量qm可通過文(wén)丘裏噴(pēn)嘴(zuǐ)測量(liàng)換算得到(dào)，設斷面1－1處、斷(duàn)面2－2處管(guǎn)道面積爲s1、s2，則(zé)空氣在兩處(chù)的流(liú)速分别(bié)爲(wèi):
 
　　式中(zhōng)，qm爲空(kōng)氣的質量(liàng)流量，kg/s;s1爲斷面1－1管(guǎn)道截面(miàn)積，m2;s2爲斷(duàn)面2－2管(guǎn)道(dào)截面積，m2。
　　經過變換(huàn)得到(dào)一個一(yī)元方程，僅有ρ1爲未知量(liàng)，各項(xiàng)參數均能在實(shí)驗中(zhōng)直接(jiē)測量或換(huàn)算所(suǒ)得，通(tōng)過使用軟件工具如(rú)matlab、excel或其(qí)他方式解出ρ1，則(zé)p1=p2ρk1/ρk2，流量計内體積流量(liàng)的理論值(zhí)qv爲:
 
式中(zhōng)，qv爲空氣(qì)的體(tǐ)積流量，m3/s。
5實(shí)驗數據(jù)比較
　　通(tōng)過使(shǐ)用(yòng)文丘裏(lǐ)噴嘴氣體(tǐ)流量标準裝置(zhì)對三個不同規格的(de)e+h渦街(jiē)流量計進(jìn)行标定，由标準(zhǔn)器測量及密度(dù)換算得qm、p2、ρ2，使(shǐ)用遊(yóu)标(biāo)卡尺分别測(cè)量流(liú)量計與裝(zhuāng)置管(guǎn)道内徑a1、a2，并計算(suàn)兩者(zhě)通徑截面積s1、s2、收(shōu)縮系(xì)數cc、測(cè)壓處截面(miàn)參考(kǎo)流速v2、單位(wèi)質量流體的能(néng)量損失u，利用matlab軟(ruǎn)件中(zhōng)的(de)solve函(hán)數求解式(14)，得流量計(jì)内氣體的(de)理論密度ρ1，理論靜壓(yā)p1，根據(jù)式(15)得(dé)理論(lùn)體積流量qv，計算(suàn)其與标(biāo)準裝置(zhì)體積流量(liàng)示值(zhí)的相對誤差。表(biǎo)1～3爲三種規格流(liú)量計(jì)的(de)實驗數(shù)據(jù)
 
　　根據(jù)實(shí)驗數(shù)據，流量計體(tǐ)積(jī)流量示值與計(jì)算所得(dé)理(lǐ)論實(shí)際值雖然不相(xiàng)等，但從相(xiàng)對标準裝置示值的(de)誤差線性(xìng)關系(xì)來看，兩(liǎng)者所呈(chéng)現的誤差(chà)均随着流速的增加(jiā)而往負方向增(zēng)長，如(rú)圖6、圖7所示(shì)。從這個(gè)角度來看，符合“因過程(chéng)存在(zài)壓能損失(shī)導緻(zhì)下遊(yóu)測壓(yā)所得靜壓(yā)值偏小，流(liú)量(liàng)裝置換算出(chū)的标準體積流量示(shì)值偏(piān)大”這一分(fèn)析(xī)。
 
 
6結(jié)論
　　對(duì)這類内徑(jìng)偏大的渦街流(liú)量計采用下遊測壓的常規方法進(jìn)行标定時(shí)，标準裝置(zhì)的體(tǐ)積流量(liàng)示值實(shí)存在(zài)一定(dìng)誤差(chà)，但(dàn)計(jì)算數據也(yě)表明，在常溫常壓、使(shǐ)用空(kōng)氣作(zuò)介質的條件下，即使在流(liú)速較(jiào)高時，由該方法(fǎ)引入(rù)的系統(tǒng)誤(wù)差也很小，僅爲(wèi)0.1%左右，對(duì)于絕大多數精度(dù)等級(jí)爲1.0甚(shèn)至更低或(huò)使用場合無極(jí)高精度要求的(de)流量計(jì)，一般可(kě)忽略(luè)此誤差，參(cān)照檢(jiǎn)定(dìng)規(guī)程要(yào)求在流量計(jì)下(xià)遊段測壓的标定方(fāng)法是可行(háng)的。當然，若是利(lì)用蒸汽或其他(tā)密度(dù)較大、流速更高(gāo)的(de)介質進(jìn)行标定(dìng)時，該系(xì)統誤差也會随(suí)之增大(dà)，建議盡(jìn)量采用表體取(qǔ)壓或制作匹配檢測管線的方(fāng)法進行實驗。

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