摘(zhai)要:利用(yong)正壓法(fa)音速噴(pen)嘴氣體(ti)流量标(biao)準裝置(zhi),通過調(diao)節㊙️試驗(yan)管道中(zhong)介質的(de)工作壓(ya)力(0.23~0.5MPa)來改(gai)變介質(zhi)密度,分(fen)别在空(kong)氣密🎯度(du)爲2.774kg/m³、3.619kg/m³、4.782kg/m³、5.987kg/m³四種(zhong)情況下(xia)對50mm口徑(jing)氣體渦(wo)街流量(liang)計 的流(liu)量特性(xing)(儀表系(xi)數、線性(xing)度、不确(que)定度.流(liu)量下限(xian))進行了(le)大量試(shi)驗研究(jiu)。試驗結(jie)果表明(ming),不同密(mi)度下🙇🏻渦(wo)街流量(liang)計儀😍表(biao)系數的(de)最大相(xiang)對誤差(cha)爲0.405%，驗證(zheng)了渦街(jie)流量計(ji)儀表系(xi)數幾乎(hu)不受流(liu)體密度(du)變化的(de)影響;并(bing)發🏃🏻‍♂️現渦(wo)街流量(liang)計的流(liu)量下限(xian)随❗着介(jie)質密度(du)的增大(da)而向下(xia)延伸,對(dui)此現象(xiang)進行✏️了(le)分析。
1引(yin)言
　　氣體(ti)渦街流(liu)量計是(shi)一種利(li)用流體(ti)振動原(yuan)理來進(jin)👈行🚩流.量(liang)測量的(de)振動式(shi)流量計(ji),廣泛應(ying)用于測(ce)量和工(gong)業🙇‍♀️過程(cheng)控制領(ling)域中。但(dan)曆史較(jiao)短,理論(lun)基礎和(he)實踐經(jing)驗不足(zu),還🙇‍♀️有許(xu)多工作(zuo)需要探(tan)索、充實(shi).
　　渦街流(liu)量計流(liu)量方程(cheng)經常引(yin)用卡曼(man)渦街理(li)論,進而(er)🈲得出渦(wo)街流量(liang)計旋渦(wo)分離的(de)頻率僅(jin)與流體(ti)工🌐作狀(zhuang)态下的(de)體✍️積流(liu)量成正(zheng)比，而對(dui)被測流(liu)體溫度(du)、壓力、密(mi)☁️度、粘度(du)和組分(fen)變化不(bu)敏感的(de)特點田(tian)實際應(ying)用中,現(xian)場工作(zuo)條件的(de)變化到(dao)底會對(dui)渦街流(liu)量計測(ce)量帶來(lai)多大的(de)附加誤(wu)差尚不(bu)明确。SophieGoujon-Durand研(yan)究了流(liu)體粘度(du)對渦街(jie)流量計(ji)線性度(du)的影響(xiang),繪出不(bu)🔆同粘度(du)對渦街(jie)線性度(du)的校正(zheng)曲線。中(zhong)提到通(tong)過氣體(ti)不🤞同工(gong)作壓力(li)下的試(shi)驗驗證(zheng)了渦街(jie)流量計(ji)不随介(jie)質密度(du)變化的(de)結論,但(dan)是并未(wei)給出具(ju)體試驗(yan)數據☔。本(ben)文采用(yong)試驗方(fang)✉️法,利用(yong)正壓法(fa)音速噴(pen)⭐嘴氣體(ti)流量标(biao)準裝置(zhi),在不同(tong)介質密(mi)度下對(dui)渦街流(liu)量計的(de)流量♋特(te)性進行(hang)對比研(yan)究,得到(dao)儀表系(xi)數和流(liu)量下限(xian)随密度(du)變化曲(qu)線和趨(qu)勢,并對(dui)試驗🌈結(jie)🌈果進行(hang)分析解(jie)釋。
2渦街(jie)流量計(ji)工作原(yuan)理
　　如圖(tu)1所示,管(guan)道中垂(chui)直插人(ren)一梯形(xing)柱狀旋(xuan)渦發生(sheng)體,随着(zhe)流體流(liu)動,當管(guan)道雷諾(nuo)數達到(dao)一定值(zhi)時,在旋(xuan)渦🔞發生(sheng)體兩側(ce)會交替(ti)🐉地産生(sheng)有規則(ze)的旋渦(wo)，這種旋(xuan)渦💛稱爲(wei)卡曼渦(wo)街。
 
　　式中(zhong):U1爲旋渦(wo)發生體(ti)兩側平(ping)均流速(su);U爲被測(ce)介質來(lai)流的平(ping)均流速(su);Sr爲斯特(te)勞哈爾(er)數,對一(yi)定形狀(zhuang)的旋渦(wo)發生體(ti)在一✏️定(ding)雷諾數(shu)範圍内(nei)爲常數(shu);m爲.旋渦(wo)發生體(ti)兩側弓(gong)形面積(ji)與🧑🏽‍🤝‍🧑🏻管道(dao)橫截面(mian)面積之(zhi)比。
　　流體(ti)在産生(sheng)旋渦的(de)同時還(hai)受到一(yi)個垂直(zhi)方向上(shang).力的作(zuo)用🚶,根據(ju)湯姆生(sheng)定律和(he)庫塔一(yi)儒可夫(fu)斯基升(sheng)力定理(li),設作用(yong)在⁉️旋渦(wo)發生體(ti)每單位(wei)長度上(shang)的升力(li)爲♈Fl,有:
 
　　式(shi)中:CL爲升(sheng)力系數(shu);ρ爲流體(ti)密度。
　　由(you)于交替(ti)地作用(yong)在發生(sheng)體上升(sheng)力的頻(pin)率就是(shi)旋👈渦的(de)脫落頻(pin)率,通過(guo)壓電探(tan)頭對FL變(bian)化頻率(lü)的檢測(ce),即可得(de)到♌ƒ,再由(you)式(1)可得(de)體積流(liu)量qv;
 
　　式中(zhong):K爲渦街(jie)流量計(ji)的儀表(biao)系數。
　　從(cong)式(3)、(4)可以(yi)看出,對(dui)于确定(ding)的D和d,流(liu)體的體(ti)積流量(liang)qv與旋渦(wo)頻率ƒ成(cheng)正比,而(er)ƒ隻與流(liu)速U和旋(xuan)渦發生(sheng)體的幾(ji)何參數(shu)有關,且(qie)與被測(ce)流體的(de)物性和(he)組分無(wu)關，因此(ci)可以得(de)出渦街(jie)流量計(ji)不受流(liu)體溫度(du)、壓力、密(mi)度、粘度(du)、組分因(yin)素的影(ying)響。本文(wen)研🧑🏾‍🤝‍🧑🏼究在(zai)複雜的(de)現場環(huan)境下,工(gong)作壓力(li)的增加(jia)、介質密(mi)度的變(bian)化對渦(wo)街流量(liang)計測量(liang)産生的(de)影響。
3試(shi)驗裝置(zhi)
3.1音速噴(pen)嘴工作(zuo)原理
　　文(wen)丘利噴(pen)嘴是個(ge)孔徑逐(zhu)漸減小(xiao)的流道(dao),孔徑最(zui)小♊的部(bu)分🍉稱爲(wei)噴嘴的(de)喉部,喉(hou)部的後(hou)面有孔(kong)徑逐漸(jian)擴大的(de)流道。當(dang)⭐氣體通(tong)過噴嘴(zui)時,喉部(bu)的氣體(ti)流速将(jiang)随着節(jie)流壓🔞力(li)比減小(xiao)而增🌍大(da)。當節😍流(liu)壓力比(bi)小🛀到-.定(ding)值時♻️，喉(hou)部流速(su)達到最(zui)大💰流速(su)一音速(su)。此時若(ruo)再減小(xiao)節流壓(ya)力比,流(liu)速(流量(liang))将保持(chi)音速不(bu)變，不再(zai)受下遊(you)壓力的(de)影響,而(er)隻與噴(pen)嘴入口(kou)處的滞(zhi)止壓力(li)和溫度(du)有關,此(ci)時的噴(pen)嘴稱爲(wei)音速噴(pen)嘴,流量(liang)方程式(shi)爲:
 
　　式中(zhong):qm爲流過(guo)噴嘴的(de)質量流(liu)量;An爲音(yin)速噴嘴(zui)喉部面(mian)積;C爲流(liu)出系數(shu);C.爲臨界(jie)流函數(shu);P0爲音速(su)噴嘴人(ren)口處滞(zhi)止絕對(dui)壓力;T0爲(wei)音速噴(pen)嘴人口(kou)處滞止(zhi)絕對溫(wen)度;R爲通(tong)用氣體(ti)常數;M爲(wei)氣🈚體千(qian)摩爾質(zhi)量。
　　從式(shi)(5)可以看(kan)出,一種(zhong)喉徑的(de)噴嘴隻(zhi)有一個(ge)臨界流(liu)量🌈值，噴(pen)嘴入口(kou)的滯止(zhi)壓力和(he)滞止溫(wen)度不變(bian)時,通過(guo)噴嘴的(de)流量也(ye)不變,正(zheng)是由于(yu)此特性(xing)使音速(su)噴嘴作(zuo)爲✉️标準(zhun)件廣泛(fan)應用于(yu)氣體流(liu)量标準(zhun)裝置中(zhong)。
3.2音速噴(pen)嘴氣體(ti)流量标(biao)準裝置(zhi)
　　音速噴(pen)嘴氣體(ti)流量标(biao)準裝置(zhi)按照氣(qi)源壓力(li)不同分(fen)爲正壓(ya)法和負(fu)壓法兩(liang)種。
　　正壓(ya)法裝置(zhi)通過改(gai)變噴嘴(zui)人口的(de)滞止壓(ya)力改變(bian)流過⁉️噴(pen)嘴的氣(qi)體流量(liang),用較少(shao)的噴嘴(zui)實現較(jiao)寬的流(liu)量範圍(wei),而且較(jiao)高而可(ke)🔆變的氣(qi)源壓力(li)可以使(shi)其工作(zuo)在正壓(ya)(絕壓0.2MPa以(yi)上)狀态(tai)下,從而(er)氣體密(mi)度高于(yu)常壓裝(zhuang)置,具有(you)不同密(mi)度(壓力(li))點上的(de)試驗能(neng)力,可用(yong)于研究(jiu)氣體密(mi)度變化(hua)對于流(liu)量儀表(biao)性能的(de)影👄響。
　　本(ben)文試驗(yan)裝置采(cai)用正壓(ya)法,工作(zuo)流量範(fan)圍爲工(gong)況2.5~666m³/h,工作(zuo)壓力範(fan)圍爲表(biao)壓0.1~0.5MPa,裝置(zhi)結構圖(tu)如圖2所(suo)示。工作(zuo)原理是(shi):首先由(you)空壓機(ji)将大氣(qi)中的空(kong)氣送人(ren)管道🏃🏻‍♂️，經(jing)冷幹機(ji)除去水(shui)氣後打(da)人高🤟壓(ya)儲氣罐(guan)中,待儲(chu)氣罐壓(ya)力升✨高(gao)到-定值(zhi)之後,調(diao)節穩壓(ya)閥使其(qi)下遊管(guan)道壓力(li)穩定在(zai)合适值(zhi),經💃🏻穩壓(ya)閥調節(jie)後進人(ren)試驗管(guan)道的高(gao)壓氣體(ti)先後流(liu)經渦街(jie)流量計(ji)、滞止容(rong)器、音速(su)噴嘴組(zu)、彙氣管(guan)、消音✂️器(qi)後,最終(zhong)通向大(da)氣。其中(zhong)，音速噴(pen)嘴組由(you)安裝在(zai)滞止容(rong)器下遊(you)的11個不(bu)同喉徑(jing)音速噴(pen)嘴并聯(lian)而成💘,通(tong)過控制(zhi)音速噴(pen)嘴下⛹🏻‍♀️遊(you)的🚶‍♀️開關(guan)閥門,可(ke)以任👅意(yi)選擇音(yin)速噴嘴(zui)的組🔞合(he)方式,以(yi)達到改(gai)變被測(ce)儀表流(liu)量的目(mu)的。通過(guo)對滞止(zhi)容器上(shang)溫度變(bian)送器T、壓(ya)力變送(song)器P1信号(hao)🙇‍♀️采集,代(dai)人公式(shi)(5)便可得(de)到通🛀過(guo)音速噴(pen)嘴的質(zhi)量流量(liang),亦即流(liu)過渦街(jie)流量計(ji)處的質(zhi)🧡量流量(liang)。通過測(ce)量渦街(jie)流量計(ji)處的溫(wen)度T和壓(ya)力P,可以(yi)計算出(chu)工作狀(zhuang)态下⛷️空(kong)氣密度(du),進而得(de)❓到實際(ji)🏃‍♀️體積流(liu)量。再根(gen)據相同(tong)時間間(jian)隔内渦(wo)街流量(liang)計輸出(chu)脈沖的(de)檢測，可(ke)最終實(shi)現對渦(wo)街流🏃量(liang)計儀表(biao)系數等(deng)流量特(te)性的研(yan)究☂️。
　　上述(shu)全部工(gong)作過程(cheng)均由計(ji)算機系(xi)統實時(shi)控制和(he)處⛹🏻‍♀️理。經(jing)🛀🏻過分析(xi)和測試(shi)，試驗裝(zhuang)置精度(du)爲0.5級。
 
4流(liu)量特性(xing)試驗研(yan)究
4.1試驗(yan)方案
　　在(zai)正壓法(fa)音速噴(pen)嘴氣體(ti)流量标(biao)準裝置(zhi)上,通過(guo)調節滞(zhi)止壓力(li)來改變(bian)介質密(mi)度,在4個(ge)不同介(jie)質密度(du)條件😄下(xia),分别對(dui)50mm口徑渦(wo)街流量(liang)計進行(hang)大量的(de)試驗。通(tong)過數據(ju)分析，主(zhu)要從兩(liang)方面💛考(kao)察介質(zhi)密度變(bian)化對渦(wo)街流量(liang)計流量(liang)特性的(de)影響:
(1)考(kao)察渦街(jie)流量計(ji)儀表系(xi)數受密(mi)度變化(hua)影響程(cheng)度,驗證(zheng)卡曼渦(wo)街理論(lun);
(2)考察渦(wo)街流量(liang)計測量(liang)下限随(sui)密度改(gai)變的變(bian)化趨勢(shi),從理論(lun)角☁️度給(gei)予解釋(shi)。
4.2試驗數(shu)據及分(fen)析
　　爲了(le)保證音(yin)速噴嘴(zui)在喉部(bu)達到音(yin)速,并結(jie)合穩壓(ya)🈲閥的調(diao)壓範圍(wei)，試驗選(xuan)擇在表(biao)壓0.13MPa、0.2MPa、0.3MPa.0.4MPa下進(jin)行,對應(ying)空氣介(jie)質密度(du)分别爲(wei)2.774kg/m³、3.619kg/m³、4.782kg/m³、5.987.kg/m³。由于高(gao)壓儲氣(qi)罐的容(rong)量有限(xian)(12m³),爲避免(mian)當流量(liang)大時管(guan)道内壓(ya)力☂️下降(jiang)迅🏃速，試(shi)驗最大(da)流量點(dian)選擇在(zai)176m³/h(對應💋流(liu)速爲25m/s);最(zui)小流量(liang)點即流(liu)量下💃限(xian)正是本(ben)文要研(yan)究的流(liu)量特性(xing)之一，由(you)試驗結(jie)果而定(ding)。試驗嚴(yan)格按照(zhao)國家計(ji)量檢定(ding)規程進(jin)行,在每(mei)個介質(zhi)密度下(xia)整個流(liu)量範圍(wei)内壓力(li)變化不(bu)超過1kPa,在(zai)每個流(liu)量點的(de)每一次(ci)檢定過(guo)程中,壓(ya)縮空氣(qi)溫度變(bian)化不♊超(chao)過0.5℃
　　根據(ju)試驗得(de)到的數(shu)據,可繪(hui)制出如(ru)圖3不同(tong)空氣密(mi)度下渦(wo)街儀表(biao)系數随(sui)流量變(bian)化曲線(xian),并得到(dao)渦街流(liu)量計的(de)流量特(te)性見表(biao)🍓1。
 
　　式中:(Ki)max、(Ki)min爲(wei)各流量(liang)點系數(shu)Ki中最大(da)值、最小(xiao)值;Kij爲第(di)i個流量(liang)點第j次(ci)儀表系(xi)數值;Ki爲(wei).第i個流(liu)量點的(de)平均儀(yi)表系數(shu)。
　　從圖3和(he)表1可總(zong)結出以(yi)下幾點(dian)結論:(1)不(bu)同密度(du)下渦🛀街(jie)各點🐕儀(yi)👌表系數(shu)随流量(liang)變化曲(qu)線K-qv具有(you)很好的(de)相似性(xing)。小流量(liang)下K值波(bo)動較大(da),在流量(liang)點22m³/h處達(da)到峰值(zhi)👅,之後K值(zhi)☔趨于常(chang)數且随(sui)着密度(du)的增大(da)穩定性(xing)愈好🔅,這(zhe)是因爲(wei),影響渦(wo)街儀表(biao)系數的(de)斯特勞(lao)哈爾數(shu)Sr是💞雷諾(nuo)數Re的函(han)🤟數,而Re的(de)定義爲(wei):
 
　　式中:μ爲(wei)動力粘(zhan)度。在流(liu)速U相同(tong)情況下(xia)，ρ變大時(shi)Re也相⚽應(ying)變大,根(gen)💘據Sr-Re曲線(xian)(5),Sr将更加(jia)趨于平(ping)坦,故K值(zhi)随着介(jie)質🔞密度(du)的增大(da)穩定性(xing)愈好。
(2)随(sui)着介質(zhi)密度的(de)增大,渦(wo)街流量(liang)計儀表(biao)系數變(bian)化很小(xiao)，最大相(xiang)👈對誤差(cha)爲:
 
　　因而(er)驗證了(le)卡曼渦(wo)街理論(lun)得出的(de)渦街流(liu)量計幾(ji)乎不🈲受(shou)流體密(mi)度變化(hua)影響的(de)特點,非(fei)常适合(he)于氣體(ti)流量測(ce)量。
(3)随着(zhe)介質密(mi)度的增(zeng)大，渦街(jie)流量計(ji)不确定(ding)度和線(xian)性度基(ji)本不變(bian),渦街流(liu)量計精(jing)度爲1.5級(ji),且不受(shou)流體密(mi)度變化(hua)影響。
(4)随(sui)着介質(zhi)密度的(de)增大,渦(wo)街流量(liang)計流量(liang)下限降(jiang)低,量程(cheng)擴大🙇🏻。這(zhe)是因爲(wei),由公式(shi)(2)可知,作(zuo)用在旋(xuan)渦發生(sheng)㊙️體上的(de)升力FL與(yu)被測💰流(liu)體的密(mi)度ρ和流(liu)速U平方(fang)成正比(bi)。當壓✏️縮(suo)空氣密(mi)度ρ升🚩高(gao)時,在保(bao)證渦街(jie)流量計(ji)的檢測(ce)靈敏度(du)(即升力(li)F)不變的(de)情況下(xia),測量流(liu)速U會相(xiang)⛷️應降低(di),那麽渦(wo)街流量(liang)計的.流(liu)量下限(xian)qvmin也會相(xiang)應降低(di),上述過(guo)程可表(biao)示爲下(xia)式:
 
　　式中(zhong)α爲常數(shu),可見流(liu)量下限(xian)qvmin與相應(ying)狀态下(xia)空氣密(mi)度平🌂方(fang)根的倒(dao)數即ρmin-1/2成(cheng)正比,這(zhe)就是渦(wo)街流量(liang)計流🔆量(liang)下限随(sui)介質密(mi)度增大(da)而降低(di)現象出(chu)現的理(li)論分析(xi)。結✨合表(biao)1中實際(ji)數🈲據,繪(hui)出qvmin~ρmin-1/2曲線(xian),見圖4。
 
　　由(you)圖4可見(jian),試驗得(de)到的qvmin~ρmin-1/2曲(qu)線基本(ben)符合公(gong)式(10)所述(shu)的線性(xing)關系📐,隻(zhi)是在空(kong)氣密度(du)爲4.782kg/m³點處(chu)誤差較(jiao)大,這是(shi)由于音(yin)速㊙️噴嘴(zui)‼️标準裝(zhuang)置對于(yu)流量點(dian)調節的(de)非連續(xu)性造成(cheng)的(在流(liu)量點14.8m³/h與(yu)9.9m³/h之間無(wu)中間⛱️流(liu)量點)。
5結(jie)論
(1)随着(zhe)介質密(mi)度的增(zeng)大,渦街(jie)流量計(ji)儀表系(xi)數變化(hua)很小，最(zui)大相對(dui)誤差僅(jin)爲0.405%,驗證(zheng)了渦街(jie)流量計(ji)幾乎🏃🏻‍♂️不(bu)受👉流體(ti)密度變(bian)化的影(ying)響。
(2)随着(zhe)介質密(mi)度的增(zeng)大,渦街(jie)流量計(ji)流量下(xia)限降低(di),量程擴(kuo)大,根據(ju)作用在(zai)旋渦發(fa)生體上(shang)的升力(li)公:式對(dui)此現象(xiang)進行了(le)理論分(fen)💛析。

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