摘要:利(lì)用正壓法音速(sù)噴嘴(zuǐ)氣體流量(liàng)标準裝置,通過(guò)調節試驗(yàn)管道(dào)中介(jiè)質的(de)工作壓力(0.23~0.5mpa)來(lái)改變介(jiè)質密度(dù),分(fèn)别在(zài)空氣密度(dù)爲2.774kg/m³、3.619kg/m³、4.782kg/m³、5.987kg/m³四(sì)種情況下對50mm口(kǒu)徑氣體渦(wō)街流(liú)量計(jì) 的流量特(tè)性(儀表系(xì)數、線(xiàn)性度(dù)、不确定度(dù).流量下限(xiàn))進行(háng)了大(dà)量試驗研究。試驗(yàn)結果表(biǎo)明,不(bú)同密度下(xià)渦街(jiē)流量計儀表系(xì)數的(de)最(zuì)大(dà)相對誤差爲0.405%，驗(yàn)證了(le)渦(wō)街(jiē)流量(liàng)計儀表系數幾乎不(bú)受流體密(mì)度變化的影響(xiǎng);并發(fā)現渦(wō)街流量計的(de)流量下(xià)限随(suí)着介(jiè)質密(mì)度的(de)增大而向(xiàng)下延伸(shēn),對此現(xiàn)象進(jìn)行(háng)了(le)分析。
1引言(yán)
　　氣(qì)體渦街(jiē)流量計是一種(zhǒng)利用(yòng)流(liú)體(tǐ)振動(dòng)原理來進行(háng)流(liú).量測量的(de)振動(dòng)式流量(liàng)計(jì),廣泛應用(yòng)于(yú)測量和(hé)工業過程控制(zhì)領域(yù)中。但(dàn)曆史(shǐ)較短,理(lǐ)論(lùn)基礎(chǔ)和實踐經驗不(bú)足,還(hái)有許多工(gōng)作(zuò)需(xū)要探(tàn)索、充(chōng)實.
　　渦街流量計(jì)流量方程經常引用卡曼渦街理論,進(jìn)而得出渦街(jiē)流量計旋(xuán)渦分(fèn)離的頻率(lǜ)僅與流體工作(zuò)狀态下的體積(jī)流量(liàng)成正比，而(ér)對被測(cè)流體溫(wēn)度、壓力、密度、粘(zhān)度和組分(fèn)變化(huà)不敏感的特點(diǎn)田實際應(yīng)用中,現場(chǎng)工作條件的變化到底會(huì)對渦街(jiē)流(liú)量計測量帶(dài)來多大(dà)的附加誤(wù)差尚(shàng)不明确(què)。sophiegoujon-durand研究了(le)流體粘度對渦(wō)街流(liú)量計(jì)線性(xìng)度的(de)影響(xiǎng),繪出(chū)不同(tóng)粘度(dù)對渦(wō)街線性度的校正曲線。中(zhōng)提到(dào)通過氣體(tǐ)不同工作壓(yā)力下的(de)試驗驗(yàn)證了渦(wō)街(jiē)流(liú)量計(jì)不随(suí)介質密度(dù)變化的結論,但是并未給出具體試(shì)驗數(shù)據。本文采(cǎi)用試(shì)驗方法,利(lì)用正壓(yā)法音速(sù)噴嘴氣體(tǐ)流量(liàng)标準裝(zhuāng)置,在不(bú)同介(jiè)質密度下(xià)對渦街(jiē)流量計(jì)的流量(liàng)特(tè)性進行對比研究,得(dé)到儀表(biǎo)系數和(hé)流量(liàng)下(xià)限随密(mì)度變化曲線和(hé)趨勢(shì),并對試驗(yàn)結果進行(háng)分析(xī)解釋(shì)。
2渦(wō)街流量(liàng)計工(gōng)作原(yuán)理
　　如(rú)圖1所示,管道中(zhōng)垂直(zhí)插(chā)人(rén)一梯形柱(zhù)狀(zhuàng)旋渦發生體,随着流體(tǐ)流動,當(dāng)管道雷(léi)諾(nuò)數達到(dào)一定(dìng)值時,在旋渦發(fā)生體(tǐ)兩側會交(jiāo)替地産生有規(guī)則的(de)旋(xuán)渦，這種(zhǒng)旋渦稱爲卡曼(màn)渦街。
 
　　式中:u1爲旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速;u爲被測介(jiè)質(zhì)來流的(de)平均流(liú)速(sù);sr爲斯(sī)特勞(láo)哈爾數(shù),對一定(dìng)形狀(zhuàng)的旋渦發生(shēng)體在一(yī)定雷(léi)諾(nuò)數(shù)範圍(wéi)内爲常數;m爲.旋(xuán)渦發生體(tǐ)兩側(cè)弓形(xíng)面積與管(guǎn)道橫截面(miàn)面積(jī)之比。
　　流體在産(chǎn)生旋渦的(de)同時(shí)還受(shòu)到一個垂(chuí)直方向上.力的(de)作用(yòng),根據湯姆(mǔ)生定(dìng)律和(hé)庫塔(tǎ)一儒可夫斯基(jī)升力(lì)定理,設作用在旋渦發生(shēng)體每單位長度(dù)上的(de)升(shēng)力(lì)爲fl,有(yǒu):
 
　　式中:cl爲(wèi)升(shēng)力系(xì)數;ρ爲流體密度(dù)。
　　由于交替地作用在發生(shēng)體上(shàng)升力(lì)的頻(pín)率就(jiù)是旋(xuán)渦的脫落(luò)頻率(lǜ),通過壓電(diàn)探頭對fl變化頻(pín)率的檢(jiǎn)測,即可(kě)得到(dào)ƒ,再由式(1)可(kě)得體積流量qv;
 
　　式(shì)中:k爲渦街流量計的(de)儀表(biǎo)系數。
　　從式(shì)(3)、(4)可(kě)以看出(chū),對于确定的d和d,流體(tǐ)的體積流(liú)量qv與(yǔ)旋渦(wō)頻率(lǜ)ƒ成正(zhèng)比,而(ér)ƒ隻與(yǔ)流速u和(hé)旋渦發生體(tǐ)的(de)幾何參(cān)數有關,且(qiě)與被(bèi)測流體的物性和組(zǔ)分無關，因此可以得出渦(wō)街流(liú)量計(jì)不受流體(tǐ)溫度、壓力(lì)、密度、粘度(dù)、組分因素的影(yǐng)響。本文研究(jiū)在(zài)複雜的現(xiàn)場環境下,工作壓力的增(zēng)加、介質密(mì)度的(de)變化對渦街流(liú)量計測(cè)量産生(shēng)的影響。
3試驗裝(zhuāng)置
3.1音(yīn)速噴(pēn)嘴工(gōng)作原理
　　文丘利噴嘴是個孔徑(jìng)逐漸減小的流道,孔(kǒng)徑最小的(de)部分稱(chēng)爲噴嘴的喉部(bù),喉部的(de)後面有(yǒu)孔(kǒng)徑逐漸擴大的流道(dào)。當氣體通(tōng)過噴(pēn)嘴時,喉部的氣(qì)體流速将随着(zhe)節流壓力比減(jiǎn)小而增(zēng)大。當節(jiē)流壓(yā)力比小到(dào)-.定值時，喉部流(liú)速達到最大流速一(yī)音(yīn)速。此時(shí)若再(zài)減(jiǎn)小節流(liú)壓力比(bǐ),流速(流量(liàng))将保(bǎo)持音速(sù)不變(biàn)，不(bú)再受下遊壓力的(de)影響(xiǎng),而隻與(yǔ)噴(pēn)嘴入口處(chù)的滞止壓(yā)力和溫度有關,此時(shí)的噴嘴(zuǐ)稱(chēng)爲音速噴(pēn)嘴,流量方(fāng)程(chéng)式爲:
 
　　式(shì)中:qm爲流過噴嘴(zuǐ)的(de)質量流量;an爲(wèi)音速噴嘴喉部面積;c爲(wèi)流出系(xì)數;c.爲臨界流函(hán)數;p0爲音(yīn)速噴嘴(zuǐ)人口處滞(zhì)止絕(jué)對壓(yā)力;t0爲音速(sù)噴嘴(zuǐ)人(rén)口處滞止絕對溫度;r爲(wèi)通用(yòng)氣體(tǐ)常數(shù);m爲(wèi)氣體千摩爾(ěr)質量(liàng)。
　　從式(shì)(5)可以看出,一種喉徑(jìng)的噴嘴(zuǐ)隻有一個臨(lín)界流量值(zhí)，噴(pēn)嘴入(rù)口的滯止壓(yā)力和滞止溫度不(bú)變時,通(tōng)過噴(pēn)嘴(zuǐ)的流量(liàng)也不變,正是由(yóu)于此特性使音(yīn)速噴嘴作爲标(biāo)準件廣泛應用(yòng)于氣體(tǐ)流(liú)量标(biāo)準裝(zhuāng)置中。
3.2音速(sù)噴嘴氣體(tǐ)流量(liàng)标準裝(zhuāng)置(zhì)
　　音速(sù)噴嘴(zuǐ)氣體流量(liàng)标準裝置(zhì)按照(zhào)氣源壓力(lì)不同分爲正壓(yā)法和(hé)負壓法兩種。
　　正壓法裝置(zhì)通過改變(biàn)噴(pēn)嘴人口(kǒu)的滞止壓力改(gǎi)變(biàn)流過噴嘴的(de)氣體流(liú)量,用較少的噴嘴(zuǐ)實現(xiàn)較寬的流量範(fàn)圍,而且較高而可變(biàn)的氣(qì)源壓(yā)力可(kě)以(yǐ)使其工作在正壓(絕壓(yā)0.2mpa以上(shàng))狀态下,從(cóng)而氣(qì)體密度高于常壓裝置,具(jù)有不同密度(dù)(壓(yā)力)點上的試驗能力,可(kě)用(yòng)于研(yán)究氣體密度變化對于流量儀(yí)表性能的影響(xiǎng)。
　　本文試驗裝置(zhì)采用正壓法,工(gōng)作流(liú)量範(fàn)圍爲(wèi)工(gōng)況(kuàng)2.5~666m³/h,工作壓力(lì)範圍(wéi)爲表壓0.1~0.5mpa,裝(zhuāng)置結構圖如圖2所示(shì)。工作原理(lǐ)是:首先由空壓(yā)機将大(dà)氣中的(de)空氣送人管道(dào)，經冷幹(gàn)機除去(qù)水氣後打(dǎ)人高(gāo)壓儲氣罐中,待(dài)儲(chǔ)氣罐壓力升(shēng)高到-定(dìng)值之後(hòu),調節穩壓(yā)閥使其下遊管道壓(yā)力穩定(dìng)在合适(shì)值,經(jīng)穩壓閥調(diào)節後進人試(shì)驗(yàn)管道的高壓氣(qì)體先(xiān)後流經渦(wō)街流(liú)量計(jì)、滞止(zhǐ)容器、音速噴嘴(zuǐ)組、彙(huì)氣管、消音(yīn)器後,最終通向(xiàng)大氣(qì)。其(qí)中，音速(sù)噴嘴組(zǔ)由安裝在滞止容(róng)器下(xià)遊的11個(gè)不(bú)同喉徑音速(sù)噴(pēn)嘴并(bìng)聯而成,通過控(kòng)制音(yīn)速噴嘴下(xià)遊的開(kāi)關閥門(mén),可以任意選擇音速(sù)噴嘴的組合方式,以達到(dào)改變被測儀表(biǎo)流量(liàng)的(de)目的。通(tōng)過對滞(zhì)止容器上溫(wēn)度變(biàn)送器(qì)t、壓力變(biàn)送器p1信(xìn)号采(cǎi)集,代人公式(5)便可(kě)得(dé)到通過音(yīn)速(sù)噴(pēn)嘴的(de)質量流量(liàng),亦即(jí)流過渦(wō)街流量(liàng)計處的質量流量。通(tōng)過(guò)測量渦(wō)街流量計(jì)處的溫度t和壓力p,可(kě)以計算出工作狀态下空氣密(mì)度,進而得(dé)到實(shí)際體積流量。再根據相(xiàng)同(tóng)時間間隔(gé)内渦街流(liú)量計(jì)輸出(chū)脈沖(chòng)的檢(jiǎn)測(cè)，可最終(zhōng)實現(xiàn)對渦街流量計(jì)儀表系數(shù)等流量特性的(de)研究(jiū)。
　　上述全部工作過程均由(yóu)計算(suàn)機(jī)系(xì)統實(shí)時控制(zhì)和(hé)處理(lǐ)。經過分(fèn)析和測(cè)試，試驗裝(zhuāng)置精(jīng)度(dù)爲0.5級(jí)。
 
4流量特(tè)性試驗研究
4.1試驗方(fāng)案(àn)
　　在(zài)正壓(yā)法音(yīn)速噴嘴氣(qì)體流(liú)量(liàng)标準裝(zhuāng)置上,通過(guò)調節(jiē)滞止壓力來(lái)改(gǎi)變介質密(mì)度,在4個不(bú)同介質密(mì)度條(tiáo)件(jiàn)下(xià),分别(bié)對50mm口(kǒu)徑渦街流(liú)量計進行(háng)大量(liàng)的試驗。通過數(shù)據分析，主(zhǔ)要從(cóng)兩方(fāng)面考察介(jiè)質密度(dù)變(biàn)化對渦街(jiē)流量計(jì)流(liú)量特性的(de)影響:
(1)考察渦街流量(liàng)計儀(yí)表系數受(shòu)密度變化影響(xiǎng)程度,驗證卡曼(màn)渦街理論;
(2)考察(chá)渦街流量計測量下(xià)限随密度(dù)改(gǎi)變的(de)變化趨(qū)勢,從(cóng)理論角度(dù)給予解釋。
4.2試驗(yàn)數據及分析
　　爲(wèi)了保證音速噴(pēn)嘴在喉部達到(dào)音速,并結(jié)合(hé)穩(wěn)壓閥的調壓範(fàn)圍，試驗選擇在表壓(yā)0.13mpa、0.2mpa、0.3mpa.0.4mpa下進行,對(duì)應空氣介質密(mì)度分别爲(wèi)2.774kg/m³、3.619kg/m³、4.782kg/m³、5.987.kg/m³。由于高壓(yā)儲氣(qì)罐的(de)容量(liàng)有限(12m³),爲避(bì)免當(dāng)流量大時(shí)管道内壓(yā)力下(xià)降迅速，試(shì)驗最(zuì)大流量點選擇(zé)在176m³/h(對應流速爲(wèi)25m/s);最小流量點即(jí)流(liú)量(liàng)下限正是本文(wén)要研究的(de)流量(liàng)特性之一，由試(shì)驗(yàn)結果而(ér)定。試(shì)驗嚴格按照國(guó)家計量檢(jiǎn)定規(guī)程進行,在(zài)每個介(jiè)質(zhì)密度(dù)下整(zhěng)個(gè)流量範圍内(nèi)壓力(lì)變化(huà)不(bú)超過(guò)1kpa,在每個(gè)流量點的(de)每一(yī)次檢定(dìng)過(guò)程中,壓縮(suō)空氣溫度(dù)變化不超過0.5℃
　　根據試驗(yàn)得(dé)到的(de)數據,可繪制出(chū)如圖(tú)3不同空氣(qì)密度下渦(wō)街儀(yí)表系(xì)數随流量(liàng)變化曲線,并得(dé)到渦街流量計(jì)的流(liú)量(liàng)特性見(jiàn)表1。
 
　　式中:(ki)max、(ki)min爲各流(liú)量點系(xì)數ki中最(zuì)大值、最小(xiǎo)值;kij爲(wèi)第i個流量點第(dì)j次儀表系數值;ki爲.第i個流量點的平(píng)均儀表系(xì)數。
　　從圖3和表1可(kě)總結(jié)出以下幾點結論:(1)不(bú)同密度下(xià)渦(wō)街各點(diǎn)儀表(biǎo)系數(shù)随流(liú)量變(biàn)化曲線k-qv具(jù)有很好的相似性。小流量下k值(zhí)波動較大,在流量點22m³/h處達到峰(fēng)值(zhí),之(zhī)後k值趨于(yú)常數且(qiě)随着(zhe)密(mì)度的增大穩定性愈(yù)好(hǎo),這(zhè)是因爲,影響渦(wō)街儀(yí)表系數(shù)的(de)斯特(tè)勞哈(hā)爾(ěr)數(shù)sr是(shì)雷(léi)諾數re的函(hán)數,而(ér)re的定義(yì)爲(wèi):
 
　　式中(zhōng):μ爲動(dòng)力(lì)粘度。在(zài)流速u相(xiàng)同(tóng)情況(kuàng)下，ρ變大時re也相應變大(dà),根據sr-re曲線(5),sr将更(gèng)加趨于(yú)平坦,故k值(zhí)随着介質密度的增(zēng)大穩定性(xìng)愈好。
(2)随着介質密度(dù)的增大(dà),渦街流(liú)量計儀表系數變化很小，最大(dà)相對(duì)誤差爲:
 
　　因(yīn)而驗(yàn)證了(le)卡曼(màn)渦街(jiē)理論得出(chū)的渦街(jiē)流(liú)量計(jì)幾(jǐ)乎不受流體(tǐ)密度變(biàn)化影響的特點,非常适(shì)合于氣(qì)體(tǐ)流量(liàng)測量(liàng)。
(3)随着介質(zhì)密度的增大，渦(wō)街流(liú)量計(jì)不确(què)定度和線(xiàn)性度(dù)基本(běn)不變(biàn),渦街流量計精度爲1.5級,且不受流體(tǐ)密度(dù)變化(huà)影響(xiǎng)。
(4)随着介質(zhì)密度(dù)的增大,渦街流量計(jì)流量下限(xiàn)降低,量程(chéng)擴大。這是因爲,由(yóu)公(gōng)式(2)可知,作(zuò)用在(zài)旋渦(wō)發(fā)生(shēng)體上的升(shēng)力(lì)fl與(yǔ)被測(cè)流體的密(mì)度ρ和(hé)流速u平方(fāng)成(chéng)正(zhèng)比。當壓縮空氣密度ρ升(shēng)高(gāo)時,在(zài)保證渦街流量(liàng)計的檢測靈敏(mǐn)度(即(jí)升力f)不變(biàn)的情況下(xià),測量流速u會相(xiàng)應降(jiàng)低,那麽渦(wō)街流量計(jì)的(de).流量下(xià)限qvmin也會相(xiàng)應(yīng)降(jiàng)低,上(shàng)述過程可(kě)表示爲(wèi)下式:
 
　　式中α爲(wèi)常數,可見(jiàn)流量下限qvmin與相(xiàng)應狀(zhuàng)态下空氣密度平方(fāng)根的倒數即ρmin-1/2成(chéng)正比(bǐ),這就(jiù)是渦街流(liú)量計(jì)流量下限(xiàn)随介質密(mì)度增(zēng)大而(ér)降低(dī)現象(xiàng)出現的理論分(fèn)析。結(jié)合(hé)表(biǎo)1中實(shí)際數據(jù),繪出qvmin~ρmin-1/2曲(qǔ)線,見圖4。
 
　　由圖4可(kě)見,試驗(yàn)得到的(de)qvmin~ρmin-1/2曲線(xiàn)基本(běn)符合(hé)公式(10)所述(shù)的線(xiàn)性(xìng)關(guān)系,隻是在(zài)空氣(qì)密度爲4.782kg/m³點(diǎn)處誤差較(jiào)大,這(zhè)是由于(yú)音(yīn)速噴(pēn)嘴标準裝置對于流量點調節(jiē)的非(fēi)連續性造(zào)成的(在流(liú)量點(diǎn)14.8m³/h與9.9m³/h之間無中間(jiān)流量點)。
5結論
(1)随(suí)着介(jiè)質密度的(de)增大,渦街流量(liàng)計儀表系(xì)數變(biàn)化很小，最大相(xiàng)對誤差(chà)僅爲0.405%,驗(yàn)證(zhèng)了渦街流量(liàng)計幾(jǐ)乎不受流(liú)體密度變化的(de)影響(xiǎng)。
(2)随着介質(zhì)密度的增大,渦(wō)街流量計流量(liàng)下限(xiàn)降低,量程(chéng)擴大,根據作用(yòng)在旋渦發(fā)生體(tǐ)上的(de)升(shēng)力公:式(shì)對此現(xiàn)象(xiàng)進行(háng)了理論分析。

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