摘(zhāi)要:利用(yòng)正壓法(fa)音速噴(pēn)嘴氣體(tǐ)流量标(biāo)準裝置(zhì),通🔴過調(diào)🐅節試驗(yàn)管道中(zhong)介質的(de)工作壓(yā)力(0.23~0.5MPa)來改(gǎi)變介質(zhi)密度♍,分(fen)别在空(kong)氣密度(dù)爲🏃‍♂️2.774kg/m³、3.619kg/m³、4.782kg/m³、5.987kg/m³四種(zhong)情況下(xia)對50mm口徑(jìng)氣體渦(wo)街流量(liang)計 的流(liú)量特性(xing)(儀表系(xì)數、線性(xìng)度、不确(que)定度.流(liú)量下限(xiàn))進行了(le)🈲大量試(shì)驗研究(jiū)。試驗結(jié)果表明(míng),不同密(mì)度下渦(wō)街流量(liàng)⁉️計儀表(biǎo)系數的(de)最大相(xiàng)對誤差(chà)爲0.405%，驗證(zhèng)了💛渦街(jie)流量計(jì)儀表系(xì)數㊙️幾乎(hu)不受流(liú)體密度(dù)變化的(de)影響;并(bìng)發現渦(wo)街流量(liang)計的流(liu)🌈量下限(xiàn)随着介(jiè)質密✨度(du)的增大(da)而✌️向下(xia)延伸,對(dui)此現象(xiàng)進行了(le)分析。
1引(yin)言
　　氣體(tǐ)渦街流(liu)量計是(shi)一種利(lì)用流體(ti)振動原(yuan)理來進(jin)行流.量(liàng)測量的(de)振動式(shi)流量計(jì),廣泛應(ying)用于測(cè)量和✂️工(gōng)業過程(cheng)控制📐領(lǐng)域中。但(dan)曆史較(jiào)短,理論(lun)基礎和(he)實踐經(jīng)驗不足(zú),還有許(xǔ)多工作(zuò)需要探(tàn)索、充實(shí).
　　渦街流(liú)量計流(liú)量方程(cheng)經常引(yin)用卡曼(màn)渦街理(lǐ)論,進而(ér)得出渦(wō)街流量(liang)計旋渦(wō)分離的(de)頻率僅(jǐn)與流體(ti)工作狀(zhuàng)🏃🏻态下的(de)體積流(liu)量成正(zhèng)比，而對(dui)被測流(liu)體溫度(dù)、壓力、密(mi)度、粘度(dù)和組分(fèn)變化不(bu)敏感的(de)特點田(tián)實際應(ying)用中,現(xiàn)🚩場工作(zuo)條件的(de)變化到(dao)底會對(dui)渦街流(liú)量計測(cè)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(liú)體粘度(dù)對渦街(jiē)流量計(ji)線性度(du)的影響(xiǎng),繪出不(bú)同粘度(du)對渦街(jiē)線性度(dù)的校正(zheng)曲線。中(zhōng)提到通(tōng)過氣體(ti)不同工(gōng)作壓力(lì)下的試(shì)驗驗證(zheng)了渦街(jie)流量計(ji)不随介(jiè)質密度(dù)變化的(de)結論,但(dan)是并未(wei)☀️給出具(jù)體試驗(yan)數據。本(běn)文采用(yòng)試驗方(fang)法,利用(yòng)正壓法(fa)音速噴(pen)嘴氣體(ti)流量标(biao)準裝置(zhì),在不同(tóng)介質密(mi)度下對(duì)渦街流(liú)量計的(de)🏃🏻‍♂️流量特(te)性進行(hang)對比研(yan)究,得到(dao)儀表系(xì)數和流(liu)量下限(xian)随密度(dù)👨‍❤️‍👨變化曲(qǔ)線和趨(qu)勢,并對(duì)試驗結(jié)🐆果進行(hang)分析解(jiě)釋。
2渦街(jie)流量計(jì)工作原(yuán)理
　　如圖(tu)1所示,管(guǎn)道中垂(chuí)直插人(rén)一梯形(xing)柱狀旋(xuán)渦發生(sheng)體,随着(zhe)流☎️體流(liu)動,當管(guǎn)道雷諾(nuo)數達到(dào)一定值(zhi)時,在旋(xuan)渦發生(shēng)💰體兩側(cè)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(wō)街。
 
　　式中(zhong):U1爲旋渦(wō)發生體(tǐ)兩側平(ping)均流速(su);U爲被測(ce)介質來(lái)流🔞的平(píng)🏃均流速(sù);Sr爲斯特(tè)勞哈爾(er)數,對一(yi)定形狀(zhuàng)的旋💃渦(wō)發生體(tǐ)在一定(dìng)雷諾數(shù)範圍内(nei)爲常數(shu);m爲.旋渦(wo)發生體(tǐ)兩側弓(gong)形面積(jī)與管道(dao)橫截面(mian)面積之(zhī)比。
　　流體(tǐ)在産生(sheng)旋渦的(de)同時還(hai)受到一(yī)個垂直(zhí)方向上(shàng).力的作(zuo)用,根據(ju)湯姆生(sheng)定律和(hé)庫塔一(yi)儒可夫(fū)斯基升(shēng)力定理(li),設作用(yong)在旋渦(wō)發生體(ti)每單位(wèi)長度上(shang)的升力(lì)爲Fl,有:
 
　　式(shi)中:CL爲升(sheng)力系數(shu);ρ爲流體(tǐ)密度。
　　由(yóu)于交替(ti)地作用(yòng)在發生(shēng)體上升(shēng)力的頻(pin)率就是(shì)旋🏒渦的(de)🏃🏻脫落頻(pín)率,通過(guò)壓電探(tàn)頭對FL變(biàn)化頻率(lǜ)的檢測(cè),即可得(de)到ƒ,再由(you)式(1)可得(de)體💋積流(liu)量qv;
 
　　式中(zhōng):K爲渦街(jiē)流量計(jì)的儀表(biao)系數。
　　從(cóng)式(3)、(4)可以(yi)看出,對(duì)于确定(dìng)的D和d,流(liu)體的體(ti)積流量(liang)qv與💔旋渦(wo)頻率ƒ成(chéng)正比,而(er)ƒ隻與流(liú)速U和旋(xuán)渦發生(shēng)體的幾(jǐ)何參數(shù)有關,且(qie)與被測(ce)流體的(de)物性和(he)組分無(wú)關，因此(cǐ)可以得(dé)出渦街(jiē)流量計(ji)不受流(liu)體溫度(dù)、壓力、密(mì)度、粘度(dù)、組分🌈因(yin)素的影(ying)響。本文(wén)研♈究在(zai)複雜的(de)現場環(huan)境下,工(gōng)作壓力(lì)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(shì)驗裝置(zhì)
3.1音速噴(pēn)嘴工作(zuo)原理
　　文(wen)丘利噴(pēn)嘴是個(ge)孔徑逐(zhú)漸減小(xiao)的流道(dào),孔徑最(zuì)小👨‍❤️‍👨的㊙️部(bu)分稱爲(wèi)噴嘴的(de)喉部,喉(hóu)部的後(hòu)面有孔(kong)徑逐漸(jiàn)擴大的(de)流道。當(dāng)氣體通(tong)過噴嘴(zui)時,喉部(bu)的氣體(tǐ)流速将(jiāng)随着💁節(jiē)流壓力(lì)比減小(xiǎo)而增大(dà)。當節流(liú)壓力比(bi)小到-.定(dìng)值時，喉(hou)部流速(sù)達到最(zui)大流速(su)一音速(su)。此時若(ruo)再減小(xiǎo)節流壓(yā)力比,流(liu)速(流量(liàng))将保持(chí)音速不(bu)變，不再(zai)受下遊(you)壓力🈲的(de)影響,而(er)隻與噴(pēn)嘴入口(kou)處的滞(zhì)止壓力(lì)和溫度(du)有關🈲,此(ci)時的噴(pen)嘴稱爲(wèi)音速噴(pen)嘴,流量(liàng)方📐程式(shì)爲:
 
　　式中(zhōng):qm爲流過(guò)噴嘴的(de)質量流(liu)量;An爲音(yīn)速噴嘴(zui)喉部面(mian)積;C爲流(liu)出系數(shù);C.爲臨界(jiè)流函數(shù);P0爲音速(sù)噴嘴人(rén)口處⭐滞(zhì)止絕對(dui)壓力;T0爲(wèi)音速噴(pen)☁️嘴人口(kǒu)處滞止(zhi)絕對溫(wen)度;R爲通(tōng)用氣體(tǐ)常💃🏻數;M爲(wèi)氣體千(qian)摩爾質(zhì)量。
　　從式(shì)(5)可以看(kàn)出,一種(zhong)喉徑的(de)噴嘴隻(zhi)有一個(gè)臨界流(liu)量值，噴(pen)嘴入口(kǒu)的滯止(zhi)壓力和(hé)滞止溫(wēn)度不變(bian)時,通過(guò)噴嘴的(de)流量也(yě)不變,正(zheng)是由于(yú)此特性(xing)使音速(sù)噴嘴作(zuò)爲🍉标準(zhun)件廣泛(fàn)應用于(yu)氣體流(liú)量标準(zhun)裝置中(zhōng)。
3.2音速噴(pēn)嘴氣體(ti)流量标(biao)準裝置(zhi)
　　音速噴(pen)嘴氣體(tǐ)流量标(biao)準裝置(zhì)按照氣(qì)源壓力(li)不同分(fen)🆚爲正壓(yā)法和負(fu)壓法兩(liang)種。
　　正壓(ya)法裝置(zhì)通過改(gai)變噴嘴(zui)人口的(de)滞止壓(yā)力改變(biàn)流過噴(pēn)🏃‍♀️嘴⛷️的氣(qì)體流量(liang),用較少(shao)的噴嘴(zui)實現較(jiao)寬的流(liu)量範圍(wéi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼,而且較(jiào)高而可(kě)變的氣(qi)源壓力(lì)可以使(shǐ)其工作(zuò)在正壓(ya)(絕壓0.2MPa以(yǐ)上🤩)狀态(tài)下🌐,從而(er)氣體密(mì)度高于(yu)常壓裝(zhuāng)置🙇🏻,具有(you)不同密(mi)度(壓力(li))點上的(de)試🌏驗能(néng)力,可☁️用(yong)于研究(jiu)氣體密(mi)度變化(huà)對于流(liú)量儀表(biao)性能的(de)影😄響。
　　本(běn)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(fàn)圍爲表(biao)壓0.1~0.5MPa,裝置(zhi)結構圖(tu)如圖2所(suǒ)示。工作(zuo)原理是(shi):首先由(you)🔞空壓機(ji)将大氣(qi)中的空(kōng)氣送人(rén)管道❌，經(jing)冷幹機(jī)除去㊙️水(shui)氣後🌈打(dǎ)人高壓(ya)儲氣🧑🏽‍🤝‍🧑🏻罐(guan)中,待儲(chǔ)氣罐壓(ya)力升高(gao)到-定值(zhí)🛀🏻之後,調(diao)節穩壓(yā)閥使其(qí)下遊管(guǎn)💘道壓力(lì)穩定在(zai)合适值(zhi),經🔴穩壓(yā)閥調節(jiē)後進人(ren)試驗管(guǎn)道的高(gao)壓氣體(ti)先後流(liu)經渦街(jiē)流量計(jì)、滞止容(róng)器🈲、音速(sù)噴嘴組(zǔ)、彙氣🈲管(guan)、消音器(qi)後,最終(zhong)通向大(dà)氣。其中(zhōng)，音速噴(pen)嘴組由(you)安裝🌈在(zài)滞止容(róng)器下遊(yóu)的11個不(bu)同喉徑(jing)音速噴(pēn)嘴并聯(lián)而成,通(tong)過控制(zhi)音速噴(pēn)嘴下遊(yóu)的🔅開關(guān)閥門,可(ke)以任意(yi)選擇音(yīn)速噴嘴(zui)的組🚶合(hé)方式,以(yǐ)達到改(gǎi)變被測(ce)儀表流(liú)量的目(mù)的。通過(guò)對滞止(zhi)容器上(shàng)溫度變(biàn)送器T、壓(ya)力變送(sòng)器P1信号(hào)采集,代(dai)人公式(shi)(5)便可得(de)到通👨‍❤️‍👨過(guò)音速噴(pēn)嘴的質(zhì)量流量(liàng),亦🌈即流(liú)過渦街(jie)⭐流量計(ji)處的質(zhì)量流量(liàng)。通過測(cè)量渦街(jie)流量計(ji)處的溫(wēn)度T和壓(ya)力P,可以(yi)計⛱️算出(chū)工作狀(zhuàng)态下📱空(kong)氣密度(dù),進而得(de)🐕到實際(ji)體積流(liú)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(kě)最終實(shí)現對渦(wo)街流量(liang)計儀表(biǎo)系數等(deng)流量特(tè)性的研(yán)究。
　　上述(shù)全部工(gong)作過程(cheng)均由計(jì)算機系(xi)統實時(shi)控制和(he)處🧡理。經(jīng)過分💃🏻析(xī)和測試(shì)，試驗裝(zhuāng)置精度(du)爲0.5級。
 
4流(liú)量特性(xing)試驗研(yan)究
4.1試驗(yàn)方案
　　在(zai)正壓法(fǎ)音速噴(pen)嘴氣體(ti)流量标(biāo)準裝置(zhì)上,通過(guò)調節滞(zhi)止壓力(li)🏃🏻‍♂️來改變(bian)介質密(mì)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(wō)街流量(liàng)計進行(hang)大量的(de)試驗。通(tōng)過數據(ju)分析，主(zhǔ)要從兩(liang)方面考(kao)察介🈲質(zhi)密度變(biàn)化對渦(wō)街流量(liàng)計流量(liang)特性的(de)影響:
(1)考(kǎo)察渦街(jie)流量計(ji)儀表系(xì)數受密(mì)度變化(huà)影響程(chéng)度🈲,驗證(zhèng)卡曼❌渦(wō)街理論(lùn);
(2)考察渦(wō)街流量(liàng)計測量(liàng)下限随(suí)密度改(gai)變的變(biàn)化趨勢(shì),從理論(lun)⛷️角度給(gei)予解釋(shì)。
4.2試驗數(shu)據及分(fèn)析
　　爲了(le)保證音(yīn)速噴嘴(zui)在喉部(bù)達到音(yīn)速,并結(jié)合穩壓(ya)閥的調(diao)壓範圍(wei)，試驗選(xuan)擇在表(biǎo)壓0.13MPa、0.2MPa、0.3MPa.0.4MPa下進(jìn)行,對應(yīng)空氣介(jiè)質密度(dù)分别爲(wèi)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(guǎn)道内壓(ya)力下降(jiàng)迅速，試(shi)驗最大(da)流量點(diǎn)選擇在(zai)176m³/h(對應🔴流(liu)速爲25m/s);最(zuì)小流量(liang)點🌈即流(liu)量下限(xiàn)正是本(běn)文要研(yán)究的流(liu)量特性(xìng)之一，由(yóu)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(zhì)密度下(xia)整個流(liú)量範圍(wéi)内壓力(li)變化不(bu)超過㊙️1kPa,在(zai)每個流(liú)量點的(de)每一次(cì)檢定過(guo)程中,壓(ya)縮空氣(qì)溫度變(biàn)化不超(chao)過0.5℃
　　根據(jù)試驗得(dé)到的數(shu)據,可繪(huì)制出如(rú)圖3不同(tong)空氣密(mi)度下渦(wo)街儀表(biao)系數随(suí)流量變(bian)化曲線(xian),并得到(dào)渦街流(liú)量計的(de)流量特(te)性見表(biǎo)1。
 
　　式中:(Ki)max、(Ki)min爲(wèi)各流量(liang)點系數(shu)Ki中最大(dà)值、最小(xiao)值;Kij爲第(di)i個流量(liàng)點第j次(ci)儀🈲表系(xì)數值;Ki爲(wei).第i個流(liú)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(yǐ)下幾點(dian)結論:(1)不(bu)同密度(dù)下渦街(jie)各點儀(yí)✂️表系數(shù)随流量(liàng)變化曲(qu)線K-qv具有(you)很好的(de)相♻️似性(xìng)。小流♊量(liàng)下🏃‍♂️K值波(bō)🈚動較大(da),在流量(liàng)點22m³/h處達(dá)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(biǎo)系數的(de)斯特勞(láo)哈爾數(shù)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(liú)速U相同(tong)情況下(xià)，ρ變大時(shi)Re也相應(yīng)變大,根(gen)據Sr-Re曲線(xian)(5),Sr将更加(jiā)趨于平(píng)坦,故K值(zhi)随着介(jiè)質密度(dù)的增大(dà)穩定性(xìng)愈好。
(2)随(suí)着介質(zhì)密度的(de)增大,渦(wō)街流量(liàng)計儀表(biǎo)系數變(bian)化很小(xiǎo)，最大相(xiàng)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(liú)量計幾(ji)乎不受(shou)❗流體密(mi)度變化(hua)影響的(de)特點,非(fēi)常适合(hé)于氣體(ti)流量測(ce)💯量。
(3)随着(zhe)介質密(mi)度的增(zēng)大，渦街(jie)流量計(ji)不确定(dìng)度和線(xian)性✉️度基(jī)本不變(biàn),渦街流(liú)量計精(jīng)度爲1.5級(jí),且不受(shòu)流體密(mì)度變化(hua)影響。
(4)随(suí)着介質(zhi)密度的(de)增大,渦(wo)街流量(liàng)計流量(liang)下限降(jiàng)低✂️,量🏃‍♀️程(cheng)擴大。這(zhe)是因爲(wei),由公式(shì)(2)可知,作(zuo)用在旋(xuán)渦發生(shēng)體上的(de)升📧力FL與(yǔ)被測流(liú)體的密(mi)度ρ和流(liu)速U平方(fāng)成正比(bi)。當壓縮(suo)空氣密(mi)度ρ升高(gāo)時,在🌈保(bao)證渦街(jiē)流量計(jì)的檢測(cè)靈敏度(du)(即升力(lì)F)不變的(de)情況下(xia),測量流(liú)速U會相(xiang)應降低(dī),那麽✏️渦(wō)街流量(liàng)計⚽的.流(liú)量下限(xiàn)qvmin也會相(xiàng)應降低(di),上述過(guò)程可表(biǎo)示爲下(xià)式:
 
　　式中(zhong)α爲常數(shu),可見流(liu)量下限(xiàn)qvmin與相應(ying)狀态下(xià)空氣密(mi)度💋平方(fāng)根的⭐倒(dǎo)數即ρmin-1/2成(chéng)正比,這(zhe)就是渦(wō)街流量(liang)計流量(liang)下限随(suí)🈲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(biǎo)1中實際(jì)數據,繪(huì)出qvmin~ρmin-1/2曲線(xiàn),見圖4。
 
　　由(yóu)圖4可見(jiàn),試驗得(de)到的qvmin~ρmin-1/2曲(qǔ)線基本(běn)符合公(gong)式(10)所述(shu)的線性(xing)關✊系,隻(zhi)🥰是在空(kōng)氣密度(dù)爲4.782kg/m³點處(chu)誤差較(jiao)大,這是(shì)由于音(yin)速噴嘴(zuǐ)标準裝(zhuāng)置對于(yú)流量點(dian)調節的(de)非連續(xù)性造☀️成(chéng)的(在流(liu)量點14.8m³/h與(yu)9.9m³/h之間無(wú)中間流(liu)量點)。
5結(jie)論
(1)随着(zhe)介質密(mì)度的增(zēng)大,渦街(jie)流量計(ji)儀表系(xi)數變化(huà)很小，最(zui)❗大🔆相對(duì)誤差僅(jin)爲0.405%,驗證(zhèng)了渦街(jie)流量計(ji)幾乎👄不(bú)受🐪流體(tǐ)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(xià)限降低(di),量程⭕擴(kuò)大,根據(ju)作用在(zai)旋渦發(fa)生體上(shang)的升力(li)公:式對(duì)此現象(xiang)進行了(le)理⭐論分(fen)析。

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