摘要:一種執行德(dé)國标準DIN2501的進口氣(qì)體渦街流量計 安(ān)裝在國标流量裝(zhuāng)置上進行标定時(shí)，因兩者管道内徑(jìng)尺寸存在差異，導(dao)緻常規方法下測(ce)壓位置的選取對(dui)标準裝置體積流(liu)量值的計算正确(que)率造成影響，因而(er)産生實驗誤差;本(ben)文對這一現象進(jìn)行分析研究，并通(tong)過多組實驗數據(ju)🏃🏻‍♂️對比，驗證了系統(tǒng)誤差确實存在，但(dan)在常溫常壓以空(kōng)氣作介質的實驗(yan)♋條件下，此誤差💜的(de)影響量很小，一般(bān)可忽略不計，由此(cǐ)說明應用常規🧡的(de)實驗方法對該類(lèi)進口渦街流量計(jì)進行标定也是👈可(kě)行的。
0引言
　　渦街流(liu)量計 是通過卡門(mén)漩渦原理測量流(liu)體流量的一種儀(yi)表，相比🈲上世紀80年(nián)代使用較爲廣泛(fan)的孔闆流量計，其(qi)具有結構簡單，壓(yā)力💋損失小，量程範(fan)圍寬，便于安裝等(deng)優點💯［1］。因此，随着技(jì)術的發展，渦街流(liú)量計在工業計量(liang)上的🚩使用逐漸成(cheng)爲主流(以下簡稱(chēng)流量計或儀表)。
1工(gong)作原理
　　流量計通(tong)過在流體中設置(zhì)三角柱型旋渦發(fā)生體，使流體産📐生(sheng)卡門漩渦，在一定(ding)雷諾數範圍内，旋(xuán)渦的釋😘放頻✌️率與(yu)流體平均流速、旋(xuan)渦發生體特征寬(kuān)👨‍❤️‍👨度有關，通過測量(liàng)旋渦頻率可以計(ji)算出流體的流速(su)，再測得流量計管(guǎn)道截面積可換算(suan)得㊙️體積流量［1－2］。
2氣體(ti)流量标準裝置
　　流(liú)量計在投入使用(yòng)前進行量值溯源(yuan)是不可缺少📱的㊙️環(huan)節，而在量值傳遞(dì)工作的開展中，負(fu)壓法臨界流文丘(qiū)裏‼️噴嘴氣體流量(liàng)标準裝置是一種(zhong)十分典型常見的(de)流量标準裝置，如(ru)圖1所示，它具備結(jie)構簡單、穩定性好(hǎo)、适用範圍廣等優(yōu)點，其工作原理是(shì)當氣體在噴嘴上(shàng)下遊的壓差達到(dào)一定值時将形成(chéng)臨界流，此時流經(jīng)噴嘴喉部的氣體(tǐ)流速達到最大值(zhí)，測量該狀态下流(liu)體的溫度、靜壓🌂、濕(shī)度，由密度換👉算得(de)流過噴嘴的氣體(ti)質量流量，根據連(lián)續性原理，流場内(nèi)各處質量流量相(xiang)等［3］。通過選用不同(tong)的噴嘴組合使标(biao)準流量可控，以✨滿(mǎn)足對流量計進行(hang)标定😄的實驗需求(qiú)。
 
3執行标準不同帶(dai)來的管徑差異
　　以(yǐ)無縫鋼管爲例，由(you)于存在标準體系(xi)、尺寸的單位制等(deng)差異‼️，再有加工誤(wù)差因素，标稱通徑(jing)相同的兩段管道(dào)，它🔞們的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻實際内徑(jing)尺寸也不盡然相(xiang)等。如圖2所示，這款(kuǎn)Prowirl72F系列的德國進口(kou)Endress+Hauser品牌流量計，參考(kao)說明書标示，如圖(tu)3所示，其📞表體管道(dao)✨生産工藝依據德(de)标DIN2501标準，部分規格(gé)的流量計外形尺(chi)寸如表1所示，常見(jian)用于中低壓環境(jìng)下的流量計✊内徑(jing)d普遍比标稱值偏(piān)大約3%至🔱7%。而在國内(nei)用于标定流量計(ji)的标準裝置爲🐉保(bǎo)障通用性需求，一(yi)般遵循我國現行(háng)的國家标🈲準設計(ji)，其中直管段部分(fèn)選材依據GB/T17395－2008，各規格(ge)的管道🆚通徑尺寸(cun)與标稱🐕值接近相(xiàng)等，在對上述德标(biāo)流量計進行标定(ding)時，會出現因兩者(zhe)管道内徑存在一(yi)定💚差異的情況，将(jiāng)可能帶來實驗📱誤(wu)差。  
 
4标定誤差來源(yuan)分析
　　渦街流量計(jì)本質上是一種速(sù)度式流量計，其直(zhí)接測量📞的🔴量爲介(jie)質的流速，考慮到(dao)由于體積流量僅(jǐn)以介💜質流🐅速及截(jie)面積确定，不受其(qi)他因素影響，因此(cǐ)，一般以體積流量(liàng)進行示值誤差或(huò)儀表系數的計算(suàn)依據。
　　在使用文丘(qiū)裏噴嘴氣體流量(liàng)标準裝置對流量(liang)計進行标定時，根(gēn)據連續性原理，達(dá)到臨界條件後，隻(zhī)要分别測得被檢(jian)流量計、噴嘴兩處(chù)的氣體溫度、靜壓(yā)、濕度🌍，則可通過密(mì)度關系計算被檢(jiǎn)表處流量标準值(zhi)，即标🌈準裝置示值(zhi)，再讀取🚶流量計示(shì)值即可計算示值(zhi)誤差🍓。但如上文所(suo)示的流量計一般(bān)無法直接測量其(qi)内部氣體狀态參(can)數🥰，而隻能在儀表(biao)上、下遊的管道上(shang)進行開孔測量作(zuo)近似估值，通過此(ci)方💛式所測流量标(biao)準值💞實際爲測量(liàng)孔截面✌️處氣體流(liu)量。考慮到在實驗(yan)室條件下，氣體的(de)溫度、濕度基本恒(heng)定，而在不同的位(wei)置測量的靜壓值(zhí)則有較大差異，因(yīn)此，測壓位置的選(xuan)取對體積流量标(biao)準值的計算正确(que)率起重要影響。根(gen)據　　JJG1029－2007《渦🌈街🧡流量計檢(jian)定規程》，一般于儀(yi)表下遊段2至7倍内(nèi)徑距離的範圍内(nei)都可認爲是合理(li)的測壓🤩位置，所測(ce)靜壓與儀表内部(bu)實際值近似視作(zuo)相等［4－5］，但當被檢儀(yí)表爲上文所述E+H流(liú)量計時，由于其表(biao)體管道内徑稍大(dà)于标🥵準裝置管道(dào)，則儀表與直管段(duan)間連🎯接處将出現(xian)突變轉折截🔅面，如(ru)圖4所示，當氣體流(liu)經轉折面時⚽，将産(chǎn)生一定壓力損失(shī)，此時下遊段測壓(yā)處所測得氣體靜(jing)壓理論☔上比儀表(biao)内部實際值小，導(dǎo)緻計算所得标準(zhun)體積流量比儀表(biao)處實際值大，且流(liú)量越大該過📐程的(de)壓🙇🏻能✉️損失越多，下(xià)遊測壓計⭕算所得(dé)标準值越偏離真(zhēn)♍值，這👈種誤差可認(rèn)爲是實驗方法引(yǐn)起的系統誤差［6］。
 
4.1機械能損失分析(xī)
　　因流量計傳感器(qì)組成部分前後均(jun1)有一定長度表體(tǐ)直管🌐段且與标準(zhun)裝置管道間内徑(jing)差異較小，流場擾(rao)動基本被儀表本(běn)身🥰抗幹擾能力克(ke)服，可認爲流量計(ji)計量性能不受影(ying)響，則💚隻需考慮氣(qi)體靜壓測量值的(de)正确率。從㊙️能量損(sǔn)失角度分析:如圖(tu)5所示，由于流線不(bú)能轉折，流體在流(liú)經突然🏃‍♀️收縮斷面(miàn)時，将形成流股收(shou)縮，至c－c斷面後逐✔️漸(jian)擴散，在此過程中(zhōng)，流體先有加速的(de)㊙️收縮流後減速的(de)擴散流兩者都産(chǎn)生阻力［7］。爲簡化分(fen)析此過程中的能(néng)量損失，設流體爲(wèi)不可壓縮流體，設(she)c－c斷面處的理想平(píng)均流速爲🥰v0，根據伯(bó)努利方程:
 
　　式中，α1爲(wei)動能修正系數，無(wu)量綱;v1爲斷面1－1處流(liú)體平均🔞流速，m/s;P1爲斷(duan)面1－1處流體靜壓，N/m2;α0爲(wèi)動能修正系數，無(wu)量綱;v0爲斷面c－c處流(liú)體理想平均流速(su)，m/s;PC爲斷面c－c處流體靜(jing)壓，N/m2;ρ爲流體密度，kg/m3;g爲(wei)🌐重力加速度，N/kg或m/s2。
　　實(shí)際上從1－1斷面至c－c斷(duan)面間存在一定能(néng)量損失，假設爲U1，再(zài)者c－c斷面✉️的實際平(píng)均流速νC要比v0稍小(xiǎo)一些，它們的比值(zhí)νC/v0=Cν，稱爲流速系數，一(yi)⛹🏻‍♀️般約爲0.99～0.97［7］，基于本文(wen)所讨論情況，該斷(duan)面收縮較小，取Cν=0.99計(jì)算，且在紊流狀态(tài)下α1=α0=1，即🌈:
 
 
　　由于在标定(ding)實驗中，流體介質(zhi)一般爲空氣，而空(kong)氣是一種可壓🏃‍♀️縮(suō)流體，考慮到在重(zhong)力場中，可壓縮性(xing)✍️流體的勢能與✂️壓(yā)力能、動能比較起(qǐ)來是小得可以忽(hū)略不計的［7－8］，即伯努(nu)利✌️方程可簡化爲(wei)以下形式:
 
　　其中C爲(wei)常數，且氣體在流(liu)量計内(斷面1－1處)流(liú)至測壓🐆處♍(斷面2－2)的(de)過程中可近似地(di)看作等熵過程，因(yīn)此，有✏️P1/ρk1=P2/ρk2，ρ1=P1/P2()1/kρ2，對于空氣的(de)等熵指💛數k≈1.4，由于在(zai)此過程中單位質(zhì)量流體的能量損(sun)失U很小，爲簡化👅分(fèn)析直接用ρ2計算其(qí)機械能損失，則方(fang)程可寫爲：
 
　　式中，P1爲(wèi)流量計内(斷面1－1處(chu))空氣靜壓，N/m2;ρ1爲流量(liàng)計内(斷面1－1處💰)空氣(qì)密度，kg/m3;v1爲流量計内(nèi)(斷面1－1處)空氣平均(jun1)流速，m/s;P2爲測壓點(斷(duan)面🔴2－2處)空氣靜💃壓，N/m2;ρ2爲(wèi)測壓點(斷面2－2處)空(kong)氣📧密度，kg/m3;v2爲🔴流量計(ji)💔内(斷面2－2處)空氣平(píng)均流速，m/s。
　　由于在标(biāo)定實驗中，空氣的(de)質量流量Qm可通過(guo)文丘裏噴嘴測量(liang)🔴換算得到，設斷面(miàn)1－1處、斷面2－2處管道面(mian)積爲S1、S2，則❓空氣在兩(liǎng)處的㊙️流速分别爲(wei):
 
　　式中，Qm爲空氣的質(zhì)量流量，kg/s;S1爲斷面1－1管(guǎn)道截面積，m2;S2爲斷♉面(mian)📞2－2管道截✉️面積，m2。
　　經過(guo)變換得到一個一(yī)元方程，僅有ρ1爲未(wèi)知量，各項參💯數均(jun1)能在實驗中直接(jiē)測量或換算所得(de)，通過使📧用軟件工(gōng)👉具如♉MATLAB、Excel或其他方式(shi)解出ρ1，則P1=P2ρk1/ρk2，流量計内(nei)體積👈流量的🔞理論(lun)值QV爲:
 
式中，QV爲空氣(qi)的體積流量，m3/s。
5實驗(yàn)數據比較
　　通過使(shǐ)用文丘裏噴嘴氣(qi)體流量标準裝置(zhì)對三個不☔同規格(gé)的🌈E+H渦街流量計進(jin)行标定，由标準器(qì)測量📞及密度換算(suàn)得Qm、P2、ρ2，使用遊标卡尺(chǐ)分别測量流量計(ji)與🈲裝置管道内徑(jìng)A1、A2，并計算兩者通徑(jing)截面積S1、S2、收縮系數(shù)Cc、測壓處截面參考(kǎo)流㊙️速v2、單位質量流(liú)體的能量損失📱U，利(li)用MATLAB軟件中的solve函數(shu)求解式(14)，得流量計(ji)内氣體的理論密(mi)度ρ1，理論靜壓P1，根據(ju)式(15)得理論體積流(liu)量QV，計算其🐅與标準(zhǔn)裝置體積流量示(shi)值的相對誤差。表(biǎo)1～3爲三種規格流量(liàng)計的實驗數據
 
　　根(gen)據實驗數據，流量(liang)計體積流量示值(zhí)與計算所得理論(lùn)實際值雖然不相(xiang)等，但從相對标準(zhun)裝置示值💚的誤差(chà)線性關系來看，兩(liang)者所呈現的誤差(chà)均随着✊流速的增(zēng)加而往負方向增(zēng)長，如圖6、圖7所示。從(cong)這個角度來看，符(fú)合“因過程存在壓(ya)能損失導緻下遊(you)測壓所得靜壓值(zhi)偏小，流量裝置換(huàn)算出的标準體積(ji)流量示值偏🏃大”這(zhe)一分析。
 
 
6結論
　　對這(zhe)類内徑偏大的渦(wō)街流量計采用下(xia)遊測壓的常規方(fāng)法進行标定時，标(biāo)準裝置的體積流(liu)量示值實存🏃‍♂️在一(yī)定誤差，但計算數(shù)據也表明，在常溫(wen)常壓、使用空氣作(zuò)介質的條件下，即(jí)使在流速較高時(shí)，由該方法引入的(de)系統🈲誤差也很小(xiao)，僅爲0.1%左❗右，對于絕(jue)大多數精度等級(ji)爲1.0甚至更低或使(shi)用場合無極高精(jing)度要求的♌流♊量計(jì)，一般可忽略此誤(wù)差，參照檢定規程(cheng)要求㊙️在流量計下(xia)遊🌈段測壓的标定(ding)方法是可行🏃🏻的。當(dāng)然，若是利用蒸汽(qi)或其他密度較大(dà)、流速更㊙️高的介質(zhì)✉️進行标定時，該系(xì)統♌誤差也會随之(zhi)增大💛，建議盡量采(cai)用表體取壓或制(zhì)作匹配檢測管線(xiàn)的方法進行實驗(yan)。

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