摘(zhai)要:利用(yong)正壓法(fǎ)音速噴(pen)嘴氣體(ti)流量标(biāo)準裝置(zhi),通過調(diào)節試驗(yan)管道中(zhōng)介質的(de)工作壓(ya)力(0.23~0.5MPa)來改(gǎi)變介質(zhì)密度,分(fen)别在空(kōng)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(liàng)計 的流(liu)量特性(xìng)(儀表系(xì)數、線性(xìng)度、不确(què)定度.流(liú)量下限(xiàn))進行㊙️了(le)大量🈲試(shi)驗研究(jiu)。試驗結(jié)果表明(ming),不同密(mi)度下 渦(wo)街流量(liàng)計 儀表(biǎo)系數的(de)最大相(xiàng)對誤差(cha)0.405%,驗證了(le)渦街流(liú)量計儀(yí)表💁系數(shu)幾👌乎不(bú)受流體(ti)密度變(bian)化的影(ying)響;并發(fa)現渦街(jie)流量計(ji)🌈的流量(liang)下限随(suí)着介質(zhi)密度的(de)增大而(ér)向下延(yán)伸,對此(cǐ)現😘象進(jìn)行了分(fen)析。
1引言(yán)
　　渦街流(liu)量計是(shì)一種利(lì)用流體(ti)振動原(yuán)理來進(jin)行流量(liang)測量的(de)振⭐動式(shì)流量計(jì),廣泛應(yīng)用于測(ce)量和工(gong)業過程(cheng)控制領(lǐng)域中。但(dan)曆史較(jiào)短,理論(lùn)基礎和(he)實踐經(jīng)驗不足(zú),還有許(xǔ)多工作(zuò)需要探(tan)索、充實(shi)💞1.21渦街流(liu)量計最(zui)基本的(de)流量方(fang)程經常(cháng)引用卡(kǎ)曼渦街(jie)理論，進(jin)而✂️得出(chū)渦街流(liú)量計旋(xuán)渦分離(li)的頻率(lü)僅與.流(liú)體工作(zuo)狀态下(xià)的體積(jī)流量成(chéng)正比,而(ér)🐅對被測(cè)流體溫(wen)度、壓力(lì)、密度、粘(zhan)度和組(zǔ)分變化(hua)不敏感(gǎn)的特點(dian)。實際應(yīng)用🌍中,現(xian)場工作(zuo)條件的(de)變化到(dào)底會對(duì)渦街流(liú)量計測(ce)🐪量帶來(lái)多大的(de)附加誤(wu)♈差尚不(bú)明确。SophieGoujon-Durand研(yan)究了流(liú)體粘度(dù)對渦街(jie)流量計(jì)線性度(du)的影響(xiǎng),繪出不(bu)同粘度(du)對💰渦街(jie)線性度(dù)的校正(zheng)曲線[4]”。通(tōng)過氣體(tǐ)不同工(gōng)作壓力(li)👌下的試(shì)驗驗證(zheng)了渦街(jie)流♌量計(jì)💘不☁️随介(jiè)質密度(du)變化的(de)結論，但(dan)♻️是并未(wèi)給出具(ju)體試驗(yan)數據。本(ben)文采用(yong)試驗方(fāng)法,利用(yong)正✔️壓法(fǎ)音速噴(pēn)嘴氣體(ti)流量标(biāo)準裝置(zhì),在不同(tóng)介質密(mi)度下對(dui)渦街流(liu)量計的(de)流量特(te)性進行(háng)對比研(yán)究，得到(dao)儀表系(xì)💃🏻數和流(liu)量下限(xian)🐇随密度(du)變化曲(qu)線和趨(qū)勢,并對(dui)試驗🌈結(jié)果進行(háng)分析解(jie)釋。
2渦街(jiē)流量計(jì)工作原(yuan)理
　　如圖(tú)1所示，管(guǎn)道中垂(chuí)直插人(rén)一梯形(xíng)柱狀旋(xuán)渦.發生(sheng)體,随着(zhe)流✨體流(liú)動,當管(guǎn)道雷諾(nuò)數達到(dao)一定值(zhí)時,在旋(xuan)渦發生(shēng)體兩側(cè)會交替(tì)地産生(shēng)有規則(ze)的旋渦(wo),這種旋(xuan)渦稱爲(wèi)卡🐇曼渦(wo)街。

設旋渦(wo)發生頻(pin)率爲，f,旋(xuan)渦發生(shēng)體迎流(liú)面寬度(dù)爲d,表體(ti)🛀通徑爲(wei)♊D,根據卡(ka)曼渦街(jie)原理，可(kě)知:

　　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(lai)流的平(ping)㊙️均🌂流速(sù);Sr爲斯特(te)勞哈爾(ěr)數,對一(yi)定形狀(zhuang)的旋渦(wō)發生體(tǐ)在一☂️定(ding)雷諾數(shù)範圍内(nei)爲常數(shu);m爲旋渦(wō)發生體(tǐ)兩側弓(gong)形面積(ji)與管道(dào)橫截面(miàn)面積之(zhī)比。
　　流體(ti)在産生(shēng)旋渦的(de)同時還(hai)受到一(yī)個垂直(zhi)方向上(shàng)✂️力的作(zuò)用,根據(ju)湯姆生(shēng)定律和(he)庫塔一(yī)-儒可夫(fu)斯基⛱️升(shēng)力定理(lǐ),設作用(yòng)在旋渦(wō)發生體(ti)每單位(wei)長度上(shang)的升力(lì)爲FL有:

式(shì)中:cL爲升(shēng)力系數(shu);ρ爲流體(ti)密度。
　　由(you)于交替(ti)地作用(yòng)在發生(sheng)體.上升(sheng)力的頻(pín)率就是(shì)旋渦的(de)脫落🔞頻(pin)率,通過(guò)壓電探(tàn)頭對FL變(bian)化頻率(lü)的檢測(cè)，即可得(de)到?再由(yóu)式(1)可得(dé)體㊙️積流(liú)量qv:

式中(zhong):K爲渦街(jie)流量計(ji)的儀表(biǎo)系數。
　　從(cóng)式(3)、(4)可以(yǐ)看出,對(dui)于确定(ding)的D和d,流(liu)體的體(tǐ)積流量(liàng)qv與旋渦(wo)頻🈚率?成(chéng)正比,而(ér)?隻與流(liu)速U和旋(xuan)渦發生(shēng)體的幾(ji)何參數(shù)有㊙️關,且(qie)與被🐅測(ce)流體的(de)物性和(hé)組分無(wú)關，因此(ci)可以得(dé)出渦街(jie)流量計(ji)不受流(liu)體溫💞度(du)、壓力、密(mì)度、粘度(du)、組分因(yin)素的影(ying)⚽響。本文(wén)研究在(zài)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(liàng)計測量(liàng)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(pen)嘴是個(ge)孔徑逐(zhú)漸減小(xiǎo)的流道(dao),孔徑最(zui)小的部(bù)💋分稱爲(wei)噴嘴的(de)喉部,喉(hou)部的後(hòu)面有孔(kǒng)徑逐漸(jiàn)🈲擴大的(de)流❌道。當(dang)氣體通(tong)過噴嘴(zuǐ)時,喉部(bu)的氣體(tǐ)流速将(jiāng)随着節(jiē)流壓力(li)比減小(xiao)而增大(da)。當節🌂流(liu)壓力比(bi)小到一(yī)定值時(shí),喉部流(liú)速達到(dào)最大流(liú)速一音(yīn)速。此時(shí)🔴若再減(jian)小節流(liu)壓力比(bi),流🔴速(流(liú)量)将保(bao)持音速(sù)不變💘,不(bú)再受下(xià)遊壓力(lì)的影響(xiǎng)，而隻與(yǔ)噴嘴人(ren)口處的(de)滞止壓(yā)力和溫(wēn)度有關(guan),此時的(de)噴嘴稱(chēng)爲音速(su)噴嘴,流(liú)量方程(chéng)式爲:

　　式(shi)中:qm爲流(liu)過噴嘴(zui)的質量(liàng)流量;A.爲(wèi)音速噴(pen)嘴喉部(bù)面積;C爲(wèi)流出🚶‍♀️系(xi)數;C.爲臨(lin)界流函(han)數;P。爲音(yīn)速噴嘴(zuǐ)人口處(chu)滞止絕(jue)對壓力(li);T。爲音✏️速(su)噴嘴人(rén)口處滞(zhì)止絕對(duì)溫度;R爲(wèi)通用氣(qì)體常數(shu);M爲氣體(ti)千摩🌍爾(er)質量。
　　從(cóng)式(5)可以(yi)看出,一(yī).種喉徑(jìng)的噴嘴(zuǐ)隻有一(yī)一個臨(lín)界流量(liang)值,噴嘴(zuǐ)人口的(de)滯止壓(yā)力和滞(zhi)止溫度(du)不變時(shí),通過噴(pen)嘴的流(liú)❓量也不(bú)變♻️,正是(shì)由于此(cǐ)特性使(shǐ)音速🏃‍♂️噴(pen).嘴作爲(wei)标準👅件(jiàn)廣泛應(yīng)用于氣(qì)體流🤞量(liang)标準裝(zhuāng)置中。
3.2音(yin)速噴嘴(zuǐ)氣體流(liu)量标準(zhǔn)裝置
　　音(yin)速噴嘴(zuǐ)氣體流(liu)量标準(zhun)裝置按(àn)照氣源(yuán)壓力不(bú)同分爲(wei)正壓法(fǎ)和負壓(yā)法兩種(zhǒng)。
　　正壓法(fa)裝置通(tōng)過改變(biàn)噴嘴人(ren)口的滞(zhì)止壓力(li)改變流(liu)🎯過噴嘴(zuǐ)的🛀氣體(tǐ)流量,用(yòng)較少的(de)噴嘴實(shi)現較寬(kuan)的流量(liang)範圍,而(er)且較高(gao)而可變(biàn)的氣源(yuán)壓力可(kě)以使其(qí)工作在(zai)💋正壓(絕(jue)壓0.2MPa以上(shàng)☔)狀态下(xia)㊙️,從而氣(qi)🔞體密度(dù)高于常(chang)壓裝置(zhi),具有不(bú)同密度(du)(壓力)點(diǎn)上的試(shì)驗能力(li),可用于(yu)研究氣(qì)體密度(du)變化對(duì)于流量(liang)儀表性(xing)能的影(yǐng)響。
　　本文(wen)試驗裝(zhuāng)置采用(yòng)正壓法(fa),工作流(liu)量範圍(wéi)爲工況(kuang)2.5~666m3/h,工作壓(ya)力範圍(wéi)爲表壓(yā)0.1~0.5MPa,裝置結(jie)構圖如(rú)圖2所示(shi)。工作原(yuan)理是:首(shou)😘先由☀️空(kong)壓機将(jiāng)大氣中(zhong)的空氣(qi)送人管(guan)道，經冷(lěng)幹機除(chú)去🏃‍♀️水氣(qi)後⁉️打人(ren)高壓儲(chu)氣罐中(zhong),待儲氣(qì)🐉罐壓力(li)升高到(dào)-定值🏃🏻‍♂️之(zhi)後,調節(jie)穩壓閥(fá)使其下(xia)遊管🏃道(dao)壓力穩(wěn)定🧑🏽‍🤝‍🧑🏻在合(hé)适值,經(jīng)穩壓閥(fa)調節後(hou)進入試(shi)驗💯管道(dào)的高壓(ya)氣體先(xian)後流經(jīng)渦街流(liu)量計、滯(zhì)止💋容器(qì)🔴、音速噴(pēn)嘴組、彙(huì)氣管、消(xiao)音♌器後(hòu),最終通(tong)向大氣(qi)。其中，音(yīn)速噴嘴(zuǐ)組由安(ān)裝📱在滞(zhì)止容器(qì)下遊的(de)11個不同(tong)喉徑音(yin)速噴嘴(zui)并聯而(ér)成,通過(guo)控制音(yin)速噴嘴(zuǐ)下遊的(de)👉開關閥(fá)門,可以(yǐ)任意選(xuan)擇音速(su)噴嘴的(de)組合方(fāng)式，以🐪達(dá)到改變(bian)被測儀(yi)表流量(liang)的目的(de)。通過對(dui)滞止容(róng)器上溫(wen)📞度變送(sòng)器T、壓力(li)變送器(qi)P,信号采(cai)集,代人(ren)公式(5)便(biàn)可得到(dao)通過音(yin)速噴嘴(zuǐ)的質量(liang)流量,亦(yì)即流過(guò)渦街流(liu)量計處(chù)的質量(liàng)流量。通(tōng)過測量(liàng)渦街流(liú)量計處(chù)的溫度(dù)T和壓力(li)P,可以計(ji)算出工(gōng)作狀态(tai)下空氣(qi)密度,進(jin)而得到(dao)實際體(ti)積流量(liàng)。再根據(ju)相同時(shí)間間隔(gé)内渦街(jiē)流量計(jì)輸出脈(mò)沖的檢(jian)測，可最(zuì)終實現(xian)對渦街(jie)流量計(jì)儀表系(xì)數等流(liu)量特性(xing)的研究(jiū)。
上述全(quan)部工作(zuò)過程均(jun1)由計算(suàn)機系統(tǒng)實時控(kong)制和處(chù)理。經過(guo)分析和(hé)測試，試(shi)驗裝置(zhi)精确度(dù)爲0.5級。

4流(liu)量特性(xìng)試驗研(yán)究
4.1試驗(yan)方案
在(zài)正壓法(fǎ)音速噴(pēn)嘴氣體(ti)流量标(biao)準裝置(zhi)，上,通過(guò)調節滞(zhì)止壓🚩力(li)來改變(bian)介質密(mì)度,在4個(gè)不同介(jiè)質密度(du)條件下(xia),分⁉️别對(duì)🏃50mm口徑渦(wō)街流量(liàng)計進行(háng)大量的(de)試驗。通(tong)過數據(jù)分析,主(zhǔ)要從兩(liǎng)方面考(kǎo)察介質(zhì)密度變(bian)化對渦(wō)街流量(liàng)計流量(liang)特性的(de)影響:
(1)考(kao)察渦街(jiē)流量計(jì)儀表系(xi)數受密(mì)度變化(hua)影響程(cheng)度,驗證(zhèng)卡♊曼渦(wo)🔱街理論(lùn);
(2)考察渦(wo)街流量(liang)計測量(liàng)下限随(suí)密度改(gǎi)變的變(bian)化趨勢(shi)⭕,從理論(lun)角度給(gěi)予解釋(shì)。
4.2試驗數(shù)據及分(fen)析
爲了(le)保證音(yin)速噴嘴(zuǐ)在喉部(bu)達到音(yīn)速,并結(jie)合穩壓(ya)閥的調(diao)壓🥰範圍(wei)，試驗選(xuǎn)擇在表(biao)壓0.13MPa、0.2MPa.0.3MPa、0.4MPa下進(jin)行,對應(yīng)空氣介(jie)質💔密度(dù)分别爲(wei)2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3.5.987kg/m3。由于高(gao)🏃‍♂️壓儲氣(qì)罐的容(róng)量有限(xian)(12m'),爲避免(miǎn)當流量(liàng)大時管(guǎn)道内壓(yā)力下降(jiang)迅速，試(shì)驗最大(dà)流量點(dian)選擇在(zài)176m3/h(對應🌈流(liu)速爲25m/s);最(zui)小流量(liàng)點即流(liú)量下⭐限(xian)正是本(ben)文💛要研(yán)究的流(liú)量特性(xìng)之一，由(yóu)試驗結(jié)果而定(ding)。試驗嚴(yán)格按照(zhào)國家計(jì)量檢定(ding)規程進(jìn)行🌈,在每(mei)🛀🏻個介質(zhi)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(liu)量點的(de)每一次(cì)檢定過(guò)程中，壓(yā)縮空氣(qì)溫度變(biàn)化不超(chao)過0.5℃。
根據(ju)試驗得(de)到的數(shu)據,可繪(huì)制出如(ru)圖3不同(tóng)空氣密(mi)度下渦(wo)🤩街儀表(biǎo)系數随(suí)流量變(biàn)化曲線(xiàn)，并得到(dào)渦街流(liú)量計的(de)流量💜特(tè)性見表(biao)1。

從圖3和(he)表1可總(zong)結出以(yǐ)下幾點(dian)結論:
(1)不(bú)同密度(dù)下渦街(jie)各點儀(yi)表系數(shù)随流量(liàng)變化曲(qu)線K-q,具有(yǒu)很好的(de)相似性(xing)。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(zhí),之後K值(zhi)趨于常(cháng)數且随(sui)着密度(dù)的增大(dà)穩定性(xing)愈好,這(zhe)是因爲(wèi),影響渦(wō)街儀表(biǎo)系數的(de)斯特勞(lao)哈爾🔱數(shù)Sr是雷諾(nuò)數Re的函(han)數,而Re的(de)定義☁️爲(wei):

式中:μ爲(wei)動力粘(zhān)度。在流(liú)速U相同(tóng)情況下(xia),ρ變大時(shí)Re也相應(ying)🚩變大,根(gēn)💘據Sr-Re曲線(xiàn)'),Sr将更加(jiā)趨于平(píng)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(suí)着介質(zhì)密度的(de)增大,渦(wō)街流量(liàng)計儀表(biǎo)系數變(biàn)化很💔小(xiao),最大相(xiàng)🐪對誤差(cha)爲:

因而(er)驗證了(le)卡曼渦(wo)街理論(lùn)得出的(de)渦街流(liu)量計幾(ji)乎不受(shou)流體密(mì)度變化(hua)影響的(de)特點,非(fēi)常适合(hé)于氣體(tǐ)流量測(ce)量。
(3)随着(zhe)介質密(mì)度的增(zēng)大,渦街(jie)流量計(ji)不确定(dìng)度和線(xiàn)性度基(ji)本不變(bian),渦街流(liu)量計準(zhǔn)确度爲(wei)1.5級,且不(bú)受流體(tǐ)密度變(bian)化影響(xiǎng)。
(4)随着介(jiè)質密度(dù)的增大(da),渦街流(liú)量計流(liú)量下限(xian)降低🌈,量(liang)程☎️擴大(da)。這是因(yīn)爲,由公(gong)式(2)可知(zhi),作用在(zài)旋渦發(fa)生體上(shang)的升力(li)FL與被測(ce)流體的(de)密度ρ和(hé)流速U平(ping)方成正(zheng)🏃‍♂️比。當壓(ya)縮空氣(qi)密度ρ升(sheng)🧡高時,在(zài)保證渦(wo)街流量(liàng)計的檢(jiǎn)測靈敏(min)㊙️度(即升(shēng)力FL)不變(biàn)的情況(kuang)下,測量(liang)流速U會(hui)相🔞應降(jiàng)低,那麽(me)渦街流(liú)量計的(de)流量下(xia)限q.mi也會(huì)相應降(jiang)✊低，上述(shù)過程可(ke)🙇‍♀️表示爲(wei)下式:


5結(jie)論
(1)随着(zhe)介質密(mì)度的增(zeng)大,渦街(jie)流量計(jì)儀表系(xi)數變化(huà)很小,最(zui)大相對(duì)誤差僅(jǐn)爲0.405%,驗證(zheng)了渦街(jie)流量計(jì)幾乎不(bu)受流體(ti)密度變(bian)化的影(yǐng)響。
(2)随着(zhe)介質密(mì)度的增(zeng)大,渦街(jiē)流量計(jì)流量下(xia)限降低(di),量程擴(kuò)大💃,根據(ju)作用在(zài)旋渦發(fa)生體上(shàng)的升力(lì)公式對(dui)此現象(xiàng)💰進行了(le)理論分(fen)析。

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