摘要:利用正(zhèng)壓法音速噴嘴氣(qì)體流量标準裝置(zhi),通過調☂️節試驗管(guǎn)道中介質的工作(zuò)壓力(0.23~0.5MPa)來改變介質(zhi)密度,分别在空氣(qi)密✊度爲2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3、5.987kg/m3四種情況(kuang)下對50mm口徑氣體渦(wo)街流量計 的流量(liang)特性(儀表系數、線(xiàn)性度、不确定度.流(liu)量下限)進行了大(da)☂️量🔱試驗研究。試驗(yan)結果表明,不同密(mi)度下 渦街流量計(ji) 儀表系數的最大(dà)相對誤差0.405%,驗證了(le)渦街流量計儀表(biǎo)系🥰數幾乎不受流(liú)體密度變化的影(yǐng)響;并發現渦街流(liú)☀️量計👌的流🔴量下限(xiàn)随着介質密度的(de)增大而向♍下延伸(shen),對此現象進行了(le)分析。
1引言
　　渦街流(liú)量計是一種利用(yòng)流體振動原理來(lái)進行流🐪量♊測📧量的(de)振🔱動式流量計,廣(guang)泛應用于測量和(hé)工業過程控制領(ling)域中。但曆史較短(duan),理論基礎和實踐(jiàn)經驗不足,還有許(xǔ)多工作需要探⛷️索(suǒ)、充實1.21渦街流量計(ji)最基本的流量方(fāng)程經常引用卡曼(man)渦街🌈理論，進而💘得(dé)出渦街流量計旋(xuan)渦分離的頻率僅(jǐn)與.流體工作狀态(tai)下的體積流量成(chéng)正比,而對被測流(liú)體溫度、壓力、密度(du)、粘度和組♌分變化(huà)不敏感的特點。實(shi)際應用中,現場工(gōng)作條件的變化到(dào)底會對渦☔街☂️流量(liang)計測量帶來多大(dà)的附加誤差尚不(bu)🤟明确。SophieGoujon-Durand研究了流體(ti)粘🆚度對渦街流量(liang)計線性度的影響(xiang),繪出不同粘度對(dui)㊙️渦街線性度🌈的校(xiào)正曲線[4]”。通過氣體(ti)不同工作壓力㊙️下(xia)的試驗驗證了渦(wo)街流量計不随介(jie)質密度變化的結(jié)論，但是并未給出(chu)具體試驗數據。本(běn)文采用試驗方法(fa),利用正壓法音速(sù)噴嘴氣體流量标(biāo)準裝置🈲,在不同介(jie)質密度下對渦街(jiē)流量計的流量特(te)性進行對💞比研究(jiū)🚶‍♀️，得到儀表系數和(he)流量下限随密度(dù)變♈化曲線和趨勢(shì),并對試驗😘結果進(jin)行分析解釋。
2渦街(jiē)流量計工作原理(li)
　　如圖1所示，管道中(zhōng)垂直插人一梯形(xíng)柱狀旋渦.發生👉體(ti),随🌈着流🎯體🌏流動,當(dāng)管道雷諾數達到(dào)一定值時,在旋渦(wo)發生👉體兩側會交(jiāo)替地産生有規則(zé)的旋渦,這種旋渦(wō)稱爲卡曼渦街。

設旋渦發(fā)生頻率爲，f,旋渦發(fa)生體迎流面寬度(du)爲d,表🈲體通徑爲D,根(gen)⛹🏻‍♀️據卡曼渦街原理(lǐ)，可知:

　　式中:U1爲旋渦(wo)發生體兩側平均(jun)流速;U爲被測介質(zhi)來流的平均流速(su);Sr爲斯特勞哈爾數(shu),對一定形狀的旋(xuan)❓渦發生體在一定(dìng)雷諾數範圍内爲(wèi)常數;m爲旋渦發❌生(shēng)體兩側弓形面積(ji)與管道橫截面面(mian)積之比。
　　流體在産(chǎn)生旋渦的同時還(hái)受到一個垂直方(fāng)向上力的作用,根(gēn)據湯姆生定律和(hé)庫塔一-儒可夫斯(sī)基升力定理,設作(zuo)用在🔴旋渦🏃🏻‍♂️發生體(ti)每單位長度上的(de)升力爲FL有:

式中:cL爲(wèi)升力系數;ρ爲流體(ti)密度。
　　由于交替地(di)作用在發生體.上(shang)升力的頻率就是(shi)旋渦的脫♈落頻率(lü),通過壓電探頭對(dui)FL變化頻率的檢測(cè)，即可得到?再由式(shi)(1)可得體積流量qv:

式(shì)中:K爲渦街流量計(jì)的儀表系數。
　　從式(shi)(3)、(4)可以看出,對于确(que)定的D和d,流體的體(tǐ)積流量qv與旋渦頻(pín)率?成正比,而?隻與(yu)流速U和旋渦發生(sheng)體的幾何參數有(yǒu)關,且與被測流🈲體(tǐ)的物性和組分無(wu)關，因此可以得出(chu)渦街流量計不受(shou)流體溫度、壓力、密(mi)度、粘度、組分因素(su)的影⭐響。本文研究(jiū)在複雜的現場環(huan)境下,工作壓🌈力的(de)增加、介⛹🏻‍♀️質密度的(de)變化對渦街流量(liang)計測量産生的影(yǐng)響。
3試驗裝置
3.1音速(su)噴嘴工作原理
　　文(wen)丘利噴嘴是個孔(kong)徑逐漸減小的流(liu)道,孔徑最小的部(bù)分稱爲噴嘴的喉(hóu)部,喉部的後面有(you)孔徑逐漸擴大的(de)流🏃🏻道。當氣體通過(guo)✊噴嘴時,喉部的氣(qì)體流速将随着節(jie)流壓力比減小而(er)增👨‍❤️‍👨大。當節流壓力(lì)比小到一定值時(shí),喉部流速達到最(zuì)大流速一音速。此(cǐ)時若再減小節流(liú)壓力比,流速(流量(liàng))将保持音速不變(bian)🈚,不再受下遊壓力(li)的影響，而隻與噴(pēn)嘴人口處的滞止(zhi)壓力和溫度有關(guan),此時㊙️的噴嘴稱爲(wei)音速噴嘴,流量💞方(fang)程式爲:

　　式中:qm爲流(liú)過噴嘴的質量流(liu)量;A.爲音速噴嘴喉(hou)部面⚽積;C爲流出系(xi)數;C.爲臨界流函數(shù);P。爲音速噴嘴人口(kǒu)處滞止絕對壓力(lì);T。爲音速噴嘴人口(kou)處滞止絕對溫度(du);R爲通用氣體常數(shu);M爲氣體千摩爾質(zhì)量。
　　從式(5)可以看出(chū),一.種喉徑的噴嘴(zuǐ)隻有一一個臨界(jie)流⭕量值,噴嘴人口(kǒu)的滯止壓力和滞(zhì)止溫度不變時💛,通(tong)過噴嘴的流量也(yě)不變,正是由于此(ci)特性使音速噴.嘴(zui)作爲标準💞件廣泛(fàn)應用于氣體流🔱量(liang)标準裝置💃🏻中。
3.2音速(su)噴嘴氣體流量标(biāo)準裝置
　　音速噴嘴(zuǐ)氣體流量标準裝(zhuāng)置按照氣源壓力(lì)不同分💔爲正壓法(fǎ)💰和負壓法兩種。
　　正(zheng)壓法裝置通過改(gǎi)變噴嘴人口的滞(zhì)止壓力改變流過(guò)🈲噴嘴的氣體流量(liàng),用較少的噴嘴實(shí)現較寬的流量範(fan)圍,而且💚較高而可(kě)變的氣源壓力可(ke)以使其工作在正(zheng)壓(絕㊙️壓0.2MPa以上)狀态(tài)下🔞,從而氣體密度(du)高于常壓裝置🍉,具(jù)有不同密度(壓力(lì))點上的試驗能力(li),可用于研究氣㊙️體(tǐ)密度變化對于流(liú)量儀表性能的影(yǐng)響。
　　本文試驗裝置(zhi)采用正壓法,工作(zuò)流量範圍爲工況(kuàng)2.5~666m3/h,工作壓力範圍爲(wèi)表壓0.1~0.5MPa,裝置結構圖(tu)如圖2所示。工作原(yuan)理是:首先由🌈空壓(yā)機将大氣中的空(kōng)氣送人管道，經冷(lěng)幹機除去水氣後(hòu)打人高📞壓儲氣罐(guàn)中,待儲氣❤️罐壓力(lì)升高到-定值🥰之後(hòu),調節✉️穩壓閥使🆚其(qí)下遊管🚩道壓力穩(wen)定☂️在合适值,經穩(wen)壓閥調節後進入(rù)試驗✊管道的高壓(ya)🔞氣體先後流經渦(wo)街流量計、滯止容(rong)器、音速噴嘴組、彙(hui)氣管、消音⭐器後,最(zuì)終通向大氣。其中(zhong)，音速噴嘴組由安(an)裝在滞止容器下(xia)遊的11個不同喉徑(jìng)音速噴嘴并聯而(ér)成,通過控制音速(sù)噴嘴下遊的開關(guan)閥門,可以任意選(xuǎn)擇音速噴嘴的組(zu)合方式，以達到改(gǎi)變被測儀表流量(liàng)💚的目的。通過對滞(zhi)止容器上溫♻️度變(bian)送器T、壓力變送器(qì)P,信号采集,代人公(gōng)式(5)便可得到通過(guo)音速噴嘴的質量(liàng)流量,亦即流過渦(wo)街流量計處的質(zhi)量流量。通過測量(liang)渦街流量計處的(de)溫度T和壓力P,可以(yi)計算出工作狀态(tai)下空氣密度,進而(ér)得到實際體積流(liu)量。再💁根據相同時(shí)間間隔内渦街流(liú)量計輸出脈沖的(de)檢測，可最終實現(xian)對渦街流量計儀(yí)表系數等流量特(tè)性的研究🥵。
上述全(quán)部工作過程均由(you)計算機系統實時(shi)控制和處理。經過(guo)分析和測試，試驗(yan)裝置精确度爲0.5級(ji)。

4流量特性試驗研(yan)究
4.1試驗方案
在正(zhèng)壓法音速噴嘴氣(qi)體流量标準裝置(zhi)，上,通過調節滞止(zhi)壓力來改變介質(zhì)密度,在4個不同介(jie)質密度條件下,分(fen)别對50mm口徑渦街⚽流(liu)量計進行大量的(de)試驗。通過數⭐據分(fen)析,主要從兩方面(mian)考察介♉質密度變(bian)化對渦街流量計(jì)流量特性的影響(xiǎng):
(1)考察渦街流量計(jì)儀表系數受密度(du)變化影響程度,驗(yàn)證卡曼渦街理論(lùn);
(2)考察渦街流量計(ji)測量下限随密度(dù)改變的變化趨勢(shì)⛹🏻‍♀️,從理論角度給予(yu)解釋。
4.2試驗數據及(ji)分析
爲了保證音(yīn)速噴嘴在喉部達(dá)到音速,并結合穩(wen)壓閥的🈚調壓範圍(wei)，試驗選擇在表壓(yā)0.13MPa、0.2MPa.0.3MPa、0.4MPa下進行,對應空氣(qì)⁉️介質密度🎯分别爲(wèi)2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3.5.987kg/m3。由于高壓儲氣罐(guan)的容量有限(12m'),爲避(bi)免當流量大時管(guan)道内壓力下降迅(xun)速，試驗最大流量(liang)點選擇在176m3/h(對應✌️流(liú)速爲25m/s);最小流量點(diǎn)即流量下❗限正是(shi)本文要研究的流(liu)量特性之一，由試(shi)驗結果而定。試驗(yàn)嚴格按照國家計(jì)量檢定規程進行(háng),在每個介質密度(dù)下整個流量🈲範圍(wéi)内壓力變化不超(chāo)過1kPa,在每個流量點(dian)的每一次檢定過(guo)程中，壓縮空氣溫(wen)度變化不超過0.5℃。
根(gēn)據試驗得到的數(shù)據,可繪制出如圖(tu)3不同空氣密度下(xia)渦街👨‍❤️‍👨儀表系數随(sui)流量變化曲線，并(bing)得到渦街流量💃計(ji)的⭐流量特性見表(biao)💋1。

從圖3和表1可總結(jie)出以下幾點結論(lun):
(1)不同密度下渦街(jiē)各點儀表系數随(suí)流量變化曲線K-q,具(jù)有很🏃‍♀️好的相似性(xing)。小流量下K值波動(dòng)較大,在流量點22m3/h處(chu)達到峰值,之後K值(zhi)趨于常數且随着(zhe)密度的增大穩定(ding)性愈好🏃🏻,這是因爲(wei),影響渦街儀表系(xì)數的斯特勞哈爾(ěr)㊙️數Sr是雷諾數Re的函(han)數,而Re的定義🤞爲:

式(shì)中:μ爲動力粘度。在(zai)流速U相同情況下(xià),ρ變大時Re也相應變(biàn)大,根據Sr-Re曲線'),Sr将更(geng)加趨于平坦,故K值(zhí)随着介質密度的(de)增大穩定性愈好(hao)。
(2)随着介質密度的(de)增大,渦街流量計(jì)儀表系數變化很(hěn)小,最大⁉️相♍對誤差(cha)爲:

因而驗證了卡(ka)曼渦街理論得出(chu)的渦街流量計幾(ji)乎不受流體密度(dù)變化影響的特點(dian),非常适合于氣體(tǐ)流✌️量測量。
(3)随着介(jie)質密度的增大,渦(wo)街流量計不确定(ding)度和線性度基本(ben)不變,渦街流量計(ji)準确度爲1.5級,且不(bú)受流體密度變化(hua)影響。
(4)随着介質密(mi)度的增大,渦街流(liu)量計流量下限降(jiang)低📐,量程擴大。這是(shi)因爲,由公式(2)可知(zhī),作用在旋渦發生(sheng)體上的升力FL與🧑🏽‍🤝‍🧑🏻被(bei)測流體🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的密度ρ和(hé)流速U平方成正🛀🏻比(bǐ)。當壓縮空氣密度(dù)ρ升🛀🏻高時,在保證渦(wo)街流量計的檢測(ce)靈敏度(即升力FL)不(bú)變的情況下,測量(liang)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流速U會相⭐應降低(dī),那麽渦街流量計(jì)的流量下限q.mi也會(huì)相應降低，上述過(guo)程可表示爲下式(shi):


5結論
(1)随着介質密(mi)度的增大,渦街流(liu)量計儀表系數變(bian)化很小🐉,最大相對(dui)誤差僅爲0.405%,驗證了(le)渦街流量計幾乎(hu)不受流體密度變(biàn)化⭐的影📐響。
(2)随着介(jiè)質密度的增大,渦(wō)街流量計流量下(xià)限降低✌️,量程擴📞大(da),根😘據作用在旋渦(wo)發生體上的升力(li)公式對此現象進(jin)行了理論分析。

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