摘要:利(li)用正壓(ya)法音速(su)噴嘴氣(qi)體流量(liang)标準裝(zhuang)置,通過(guo)調節試(shi)驗管道(dao)中介質(zhi)的工作(zuo)壓力(0.23~0.5MPa)來(lai)改變介(jie)質密度(du),分别♻️在(zai)空氣密(mi)度爲💋2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3、5.987kg/m3四(si)種情況(kuang)下對50mm口(kou)徑氣體(ti)渦街流(liu)量計 的(de)流量特(te)性(儀表(biao)系數、線(xian)性度、不(bu)确定度(du).流量下(xia)限🔴)進📞行(hang)了🤟大量(liang)試驗研(yan)究。試驗(yan)結果表(biao)明,不同(tong)密度下(xia) 渦街流(liu)量計 儀(yi)表系數(shu)的最大(da)相對誤(wu)差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
　　渦街(jie)流量計(ji)是一種(zhong)利用流(liu)體振動(dong)原理來(lai)進行流(liu)🚩量❤️測量(liang)的振動(dong)式流量(liang)計,廣泛(fan)應用于(yu)測量和(he)工業🐪過(guo)程控制(zhi)♋領域中(zhong)。但曆史(shi)較短,理(li)論基礎(chu)和實踐(jian)經驗不(bu)足🥵,還有(you)許多工(gong)作⛷️需要(yao)探索、充(chong)實🔴1.21渦街(jie)流量計(ji)最基本(ben)的❤️流量(liang)方程經(jing)常引用(yong)卡曼渦(wo)街❤️理論(lun)，進而得(de)出渦街(jie)流🐕量計(ji)旋渦分(fen)離的頻(pin)率僅與(yu).流體工(gong)作狀态(tai)下的體(ti)積流量(liang)成正比(bi),而🧑🏾‍🤝‍🧑🏼對被(bei)測流體(ti)溫度、壓(ya)力、密度(du)、粘度和(he)組分變(bian)化不敏(min)感的特(te)點。實際(ji)應用中(zhong)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,現場工(gong)作條件(jian)的😄變化(hua)到底會(hui)對渦✏️街(jie)🔞流量計(ji)測量帶(dai)來多大(da)的附加(jia)誤差尚(shang)不明确(que)。SophieGoujon-Durand研究了(le)流體粘(zhan)👣度對渦(wo)街流量(liang)計線性(xing)度的影(ying)響,繪出(chu)不同粘(zhan)度對渦(wo)街線性(xing)度的校(xiao)正曲線(xian)[4]”。通過氣(qi)體不同(tong)工作壓(ya)力下的(de)試驗驗(yan)證了渦(wo)街流量(liang)計不随(sui)介質密(mi)度變化(hua)的結論(lun)，但👅是并(bing)未給出(chu)具體試(shi)驗數據(ju)。本文采(cai)用試❓驗(yan)方法,利(li)用正💘壓(ya)法音速(su)噴嘴氣(qi)體♻️流量(liang)标準裝(zhuang)置💔,在不(bu)同介質(zhi)密度下(xia)對渦街(jie)流🔅量計(ji)的流量(liang)特性進(jin)🌈行對比(bi)研究，得(de)到儀表(biao)系數和(he)流量下(xia)限🐅随密(mi)度變🐅化(hua)曲線和(he)趨勢,并(bing)對試驗(yan)結果⭕進(jin)行分析(xi)解釋。
2渦(wo)街流量(liang)計工作(zuo)原理
　　如(ru)圖1所示(shi)，管道中(zhong)垂直插(cha)人一梯(ti)形柱狀(zhuang)旋渦.發(fa)生體,随(sui)着流體(ti)流動,當(dang)管道雷(lei)諾數達(da)到一定(ding)值時,在(zai)旋渦發(fa)生體兩(liang)側會交(jiao)替地産(chan)生有規(gui)則的旋(xuan)渦,這種(zhong)旋渦稱(cheng)爲卡🐇曼(man)渦街。

設旋(xuan)渦發生(sheng)頻率爲(wei)，f,旋渦發(fa)生體迎(ying)流面寬(kuan)度爲d,表(biao)體通徑(jing)爲🙇‍♀️D,根據(ju)卡曼渦(wo)街原理(li)，可知:

　　式(shi)中:U1爲旋(xuan)渦發生(sheng)體兩側(ce)平均流(liu)速;U爲被(bei)測介質(zhi)來⁉️流的(de)平均流(liu)速;Sr爲斯(si)特勞哈(ha)爾數,對(dui)一定形(xing)狀的旋(xuan)🐕渦發🌈生(sheng)體在一(yi)定雷諾(nuo)數範圍(wei)内爲常(chang)數;m爲旋(xuan)渦發生(sheng)體兩側(ce)弓形🐆面(mian)積與管(guan)道橫截(jie)面面積(ji)之比。
　　流(liu)體在産(chan)生旋渦(wo)的同時(shi)還受到(dao)一個垂(chui)直方向(xiang)上力的(de)作❌用👣,根(gen)據湯姆(mu)生定律(lü)和庫塔(ta)一-儒可(ke)夫斯基(ji)升力定(ding)理,設作(zuo)用在旋(xuan)渦發生(sheng)體每單(dan)位長度(du)上的升(sheng)力爲FL有(you):

式中:cL爲(wei)升力系(xi)數;ρ爲流(liu)體密度(du)。
　　由于交(jiao)替地作(zuo)用在發(fa)生體.上(shang)升力的(de)頻率就(jiu)是旋渦(wo)的脫落(luo)頻率,通(tong)過壓電(dian)探頭對(dui)FL變化頻(pin)率的檢(jian)測，即可(ke)得到?再(zai)由式(1)可(ke)得體🚶積(ji)流量qv:

式(shi)中:K爲渦(wo)街流量(liang)計的儀(yi)表系數(shu)。
　　從式(3)、(4)可(ke)以看出(chu),對于确(que)定的D和(he)d,流體的(de)體積流(liu)量qv與旋(xuan)渦🤩頻率(lü)?成正比(bi),而?隻與(yu)流速U和(he)旋渦發(fa)生體的(de)幾㊙️何參(can)‼️數有關(guan),且與被(bei)測流體(ti)的物性(xing)和組分(fen)無關，因(yin)此可以(yi)得出渦(wo)街流量(liang)計不受(shou)流體溫(wen)度、壓力(li)、密度、粘(zhan)度、組分(fen)因素的(de)影🐅響。本(ben)文研🏃‍♂️究(jiu)在複雜(za)的現場(chang)環👉境下(xia),工作壓(ya)力的增(zeng)加、介🐕質(zhi)密度的(de)變✔️化對(dui)渦街流(liu)量計測(ce)量産生(sheng)的影響(xiang)。
3試驗裝(zhuang)置
3.1音速(su)噴嘴工(gong)作原理(li)
　　文丘利(li)噴嘴是(shi)個孔徑(jing)逐漸減(jian)小的流(liu)道,孔徑(jing)最小❌的(de)😘部分稱(cheng)爲噴嘴(zui)的喉部(bu),喉部的(de)後面有(you)孔徑逐(zhu)漸擴大(da)的流道(dao)。當氣體(ti)通過噴(pen)嘴時,喉(hou)部的氣(qi)體流速(su)将随着(zhe)節流壓(ya)力比減(jian)小而增(zeng)大。當節(jie)流壓力(li)比小到(dao)一定值(zhi)💃🏻時,喉部(bu)流🏃‍♀️速達(da)到最大(da)流速一(yi)音速。此(ci)時🥵若再(zai)減小節(jie)🐉流壓力(li)比,流🔞速(su)(流量)将(jiang)保持音(yin)速不變(bian)⚽,不再受(shou)下遊壓(ya)❤️力的影(ying)響，而隻(zhi)與噴嘴(zui)人口處(chu)🔱的滞止(zhi)壓力和(he)🐕溫度有(you)關,此時(shi)的噴嘴(zui)稱爲音(yin)速噴嘴(zui),流量方(fang)程式爲(wei):

　　式中:qm爲(wei)流過噴(pen)嘴的質(zhi)量流量(liang);A.爲音速(su)噴嘴喉(hou)部面積(ji);C爲流出(chu)系數;C.爲(wei)臨界流(liu)函數;P。爲(wei)音速噴(pen)嘴人口(kou)處滞止(zhi)🔴絕對壓(ya)力;T。爲音(yin)✔️速噴嘴(zui)人口處(chu)滞止絕(jue)對溫度(du)♉;R爲通用(yong)氣體常(chang)🌏數;M爲氣(qi)體千摩(mo)爾質量(liang)。
　　從式(5)可(ke)以看出(chu),一.種喉(hou)徑的噴(pen)嘴隻有(you)一一個(ge)臨界📧流(liu)量值,噴(pen)嘴人口(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)後進入(ru)試驗管(guan)道的高(gao)壓氣體(ti)先後流(liu)經渦⛷️街(jie)流量計(ji)、滯止容(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P,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)置精确(que)度爲0.5級(ji)。

4流量特(te)性試驗(yan)研究
4.1試(shi)驗方案(an)
在正壓(ya)法音速(su)噴嘴氣(qi)體流量(liang)标準裝(zhuang)置，上,通(tong)過調💚節(jie)滞止壓(ya)力來改(gai)變介質(zhi)密度,在(zai)4個不同(tong)介質密(mi)度條件(jian)下,分别(bie)對50mm口徑(jing)渦街流(liu)量計進(jin)行大量(liang)的試驗(yan)。通過數(shu)據分析(xi),主要從(cong)兩方面(mian)🌏考察介(jie)💰質密度(du)變化🏃‍♂️對(dui)渦街流(liu)量計流(liu)量特性(xing)的影🔴響(xiang):
(1)考察渦(wo)街流量(liang)計儀表(biao)系數受(shou)密度變(bian)化影響(xiang)程度,驗(yan)證🤩卡曼(man)渦街理(li)論;
(2)考察(cha)渦街流(liu)量計測(ce)量下限(xian)随密度(du)改變的(de)變化趨(qu)勢🌐,從理(li)❗論角度(du)給予解(jie)釋。
4.2試驗(yan)數據及(ji)分析
爲(wei)了保證(zheng)音速噴(pen)嘴在喉(hou)部達到(dao)音速,并(bing)結合穩(wen)壓閥的(de)調壓範(fan)✉️圍，試驗(yan)選擇在(zai)表壓0.13MPa、0.2MPa.0.3MPa、0.4MPa下(xia)進行,對(dui)應空氣(qi)介質密(mi)度分别(bie)爲2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3.5.987kg/m3。由于(yu)高🧡壓儲(chu)氣罐的(de)容量有(you)限(12m'),爲避(bi)免當流(liu)量大時(shi)管道内(nei)壓力下(xia)降迅速(su)，試驗最(zui)大流量(liang)點選擇(ze)在176m3/h(對應(ying)💘流速爲(wei)25m/s);最小流(liu)量點即(ji)流量下(xia)限正是(shi)本文要(yao)研究的(de)流量特(te)性之一(yi)，由試驗(yan)結果而(er)定。試驗(yan)嚴📐格按(an)照國家(jia)計量檢(jian)定規程(cheng)進行🔴,在(zai)每個介(jie)質密度(du)下整🐆個(ge)流量範(fan)圍内壓(ya)力變化(hua)不超過(guo)1kPa,在每個(ge)流量點(dian)的每一(yi)次檢定(ding)過程中(zhong)，壓縮空(kong)氣溫度(du)變化不(bu)超過0.5℃。
根(gen)據試驗(yan)得到的(de)數據,可(ke)繪制出(chu)如圖3不(bu)同空氣(qi)密度下(xia)渦街🥵儀(yi)表系數(shu)随流量(liang)變化曲(qu)線，并得(de)到渦街(jie)流量計(ji)的流量(liang)特性見(jian)表1。

從圖(tu)3和表1可(ke)總結出(chu)以下幾(ji)點結論(lun):
(1)不同密(mi)度下渦(wo)街各點(dian)儀表系(xi)數随流(liu)量變化(hua)曲線K-q,具(ju)有很好(hao)的相似(si)性。小流(liu)量下K值(zhi)波動較(jiao)大,在流(liu)量點22m3/h處(chu)達到峰(feng)值🔅,之後(hou)K值趨于(yu)常數且(qie)随着密(mi)度的增(zeng)🌐大穩定(ding)性愈好(hao),這是因(yin)🔴爲,影響(xiang)🔞渦街儀(yi)表系數(shu)的斯特(te)勞哈爾(er)數Sr是雷(lei)諾數Re的(de)函數,而(er)Re的定義(yi)♈爲:

式中(zhong):μ爲動力(li)粘度。在(zai)流速U相(xiang)同情況(kuang)下,ρ變大(da)時Re也相(xiang)應✌️變大(da),根據Sr-Re曲(qu)線'),Sr将更(geng)加趨于(yu)平坦,故(gu)K值随着(zhe)介質密(mi)度✊的增(zeng)✔️大穩定(ding)性🏃愈好(hao)。
(2)随着介(jie)質密度(du)的增大(da),渦街流(liu)量計儀(yi)表系數(shu)變化很(hen)小,最大(da)相對誤(wu)差爲:

因(yin)而驗證(zheng)了卡曼(man)渦街理(li)論得出(chu)的渦街(jie)流量計(ji)幾乎不(bu)受流體(ti)密度變(bian)化影響(xiang)的特點(dian),非常适(shi)合于氣(qi)體流😍量(liang)測量。
(3)随(sui)着介質(zhi)密度的(de)增大,渦(wo)街流量(liang)計不确(que)定度和(he)線性度(du)基本不(bu)❗變,渦街(jie)流量計(ji)準确度(du)爲1.5級,且(qie)不受流(liu)體密🈚度(du)變化影(ying)響。
(4)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。這是(shi)因爲,由(you)公式(2)可(ke)知,作用(yong)在旋渦(wo)發生體(ti)上的升(sheng)力FL與被(bei)測流體(ti)的密度(du)ρ和流速(su)U平方成(cheng)正比。當(dang)壓縮空(kong)氣密度(du)ρ升高時(shi),在🧑🏾‍🤝‍🧑🏼保證(zheng)渦街流(liu)量計的(de)檢測靈(ling)敏度(即(ji)升力FL)不(bu)變的情(qing)🔱況下,測(ce)量流速(su)U會相應(ying)降低,那(na)麽渦街(jie)流量計(ji)☁️的流量(liang)下限q.mi也(ye)會相應(ying)降🌏低，上(shang)述過程(cheng)可🌈表示(shi)爲下式(shi):


5結論
(1)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)僅爲0.405%,驗(yan)證了渦(wo)街流量(liang)計幾乎(hu)不受流(liu)體密度(du)變化的(de)影響。
(2)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㊙️,根(gen)🍉據作用(yong)在旋渦(wo)發生體(ti)上的升(sheng)力公式(shi)對此現(xian)象進行(hang)了理論(lun)分析。

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