摘(zhāi)要:利用(yong)正壓法(fa)音速噴(pen)嘴氣體(tǐ)流量标(biāo)準裝置(zhì),通過調(diào)節試驗(yàn)管道中(zhōng)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(du)爲2.774kg/m³、3.619kg/m³、4.782kg/m³、5.987kg/m³四種(zhǒng)情況下(xià)對50mm口徑(jing)氣體渦(wo)街流量(liàng)計 的流(liú)量特性(xing)(儀表系(xì)數、線性(xing)度、不确(què)定度.流(liu)量下限(xiàn))進行了(le)大量試(shì)驗研究(jiū)。試驗結(jie)果表明(míng),不同密(mi)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(zheng)了☔渦街(jiē)流量計(jì)儀表系(xi)數幾乎(hū)不🐅受流(liu)體密度(du)變化的(de)影響;并(bìng)發現渦(wo)街流量(liang)計的流(liu)❗量下限(xian)随着介(jiè)質密度(dù)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
　　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(jìn)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(chéng)✂️控制領(lǐng)域中。但(dàn)曆史較(jiao)短,理論(lun)基礎和(hé)實踐經(jing)驗不足(zu),還有許(xǔ)多☀️工作(zuò)需要探(tan)索、充實(shí).
　　渦街流(liu)量計流(liú)量方程(chéng)經常引(yǐn)用卡曼(màn)渦街理(lǐ)論,進而(ér)得出☁️渦(wo)街流量(liang)計旋渦(wo)分離的(de)頻率僅(jin)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(liú)體溫度(du)、壓力、密(mì)度、粘度(dù)和組分(fen)🈲變化不(bu)敏感的(de)特點田(tián)實際應(yīng)用中,現(xiàn)場工作(zuo)條件的(de)變化到(dao)底會對(dui)渦街流(liu)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(yán)究了流(liu)體粘度(dù)對渦💋街(jiē)流量計(ji)線性度(dù)的影響(xiǎng),繪出不(bu)同粘度(du)對渦街(jiē)線性度(dù)的校正(zheng)曲線。中(zhong)提到通(tong)過氣體(tǐ)不同工(gong)作壓力(li)下的試(shi)驗驗證(zheng)了渦街(jie)流量計(jì)不随介(jiè)質密度(dù)變化的(de)結論,但(dàn)是并未(wei)給出具(ju)體試驗(yan)數據💞。本(běn)文采用(yòng)試驗方(fang)法,利用(yong)正壓法(fa)音速噴(pen)嘴氣體(ti)流量标(biao)準裝置(zhi),在不同(tóng)介質密(mì)🌈度下對(duì)渦街流(liú)量計的(de)流量特(te)性進行(háng)對比研(yan)究,得到(dao)儀🤞表系(xi)數和流(liu)量下限(xian)随密度(dù)變化曲(qǔ)線和趨(qu)勢,并對(dui)試驗結(jie)💰果進行(hang)分✂️析解(jie)釋。
2渦街(jiē)流量計(ji)工作原(yuan)理
　　如圖(tu)1所示,管(guan)道中垂(chuí)直插人(ren)一梯形(xing)柱狀旋(xuán)渦發生(shēng)體,随着(zhe)流體流(liu)動,當管(guan)道雷諾(nuò)數達到(dào)一定值(zhí)時,在旋(xuán)渦發生(shēng)體兩側(cè)會交替(tì)地産生(sheng)有規則(ze)的旋渦(wo)，這種旋(xuán)渦稱爲(wei)卡曼渦(wo)街。
 
　　式中(zhong):U1爲旋渦(wō)發生體(tǐ)兩側平(píng)均流速(su);U爲被測(cè)介質來(lai)流的平(ping)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(ding)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(ji)與管道(dao)橫截面(mian)面積之(zhi)比。
　　流體(tǐ)在産生(sheng)旋渦的(de)同時還(hai)受到一(yi)個垂直(zhí)方向上(shang).力的作(zuo)用,根據(jù)湯姆生(sheng)定律和(hé)庫塔一(yi)儒可夫(fū)斯基升(sheng)力定理(lǐ)📱,設作用(yòng)在旋渦(wo)發生體(ti)每單位(wèi)長度上(shàng)的升力(li)爲Fl,有:
 
　　式(shì)中:CL爲升(sheng)力系數(shu);ρ爲流體(tǐ)密度。
　　由(yóu)于交替(tì)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(tan)頭對FL變(bian)化頻率(lǜ)的檢測(ce),即可得(dé)到ƒ,再由(yóu)式(1)可🧡得(dé)體積流(liu)量qv;
 
　　式中(zhong):K爲渦街(jie)流量計(jì)的儀表(biǎo)系數。
　　從(cong)式(3)、(4)可以(yǐ)看出,對(duì)于确定(dìng)的D和d,流(liú)體的體(tǐ)積流量(liang)qv與旋渦(wō)🈲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(shu)有關,且(qiě)與被測(cè)流體的(de)物性和(hé)組分無(wú)關，因此(ci)可以得(de)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(yīn)素的影(yǐng)響。本文(wén)研究在(zài)複雜的(de)現場環(huán)境下,工(gōng)作壓♻️力(lì)的增加(jiā)、介⭐質密(mì)度的變(bian)化對渦(wō)街流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量(liang)計測量(liàng)産生的(de)影響。
3試(shi)驗裝置(zhì)
3.1音速噴(pēn)嘴工作(zuo)原理
　　文(wén)丘利噴(pen)嘴是個(ge)孔徑逐(zhu)漸減小(xiǎo)的流道(dao),孔徑最(zui)小的部(bu)🌂分稱爲(wei)噴嘴的(de)喉部,喉(hóu)部的後(hòu)面有孔(kǒng)徑逐漸(jiàn)擴大🌈的(de)流道。當(dang)氣體通(tōng)過噴嘴(zuǐ)時,喉部(bù)的氣體(ti)流速🈲将(jiang)随着節(jiē)流壓力(lì)比減小(xiǎo)而增大(da)。當節流(liú)壓力比(bǐ)小到-.定(ding)值時，喉(hóu)部流速(sù)達到最(zuì)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(chi)音速不(bu)變，不再(zài)受下遊(yóu)壓力的(de)影響,而(ér)隻與噴(pen)嘴入口(kǒu)處的滞(zhi)止㊙️壓力(lì)和溫度(du)有關,此(ci)時的噴(pēn)嘴稱爲(wèi)音速噴(pēn)嘴,流量(liàng)方程式(shì)爲:
 
　　式中(zhong):qm爲流過(guo)噴嘴的(de)質量流(liú)量;An爲音(yin)速噴嘴(zuǐ)喉部面(mian)✉️積♉;C爲🔅流(liú)出系數(shù);C.爲臨界(jie)流函數(shù);P0爲音速(sù)噴嘴人(ren)口處🔴滞(zhi)止絕對(dui)壓力;T0爲(wèi)音⚽速噴(pēn)嘴人口(kou)處滞止(zhǐ)絕對溫(wen)度;R爲通(tong)用氣體(ti)常數;M爲(wei)氣體千(qiān)摩㊙️爾質(zhì)量。
　　從式(shi)(5)可以看(kàn)出,一種(zhǒng)喉徑的(de)噴嘴隻(zhī)有一個(gè)臨界流(liu)量☎️值，噴(pēn)嘴入口(kou)的滯止(zhi)壓力和(hé)滞止溫(wēn)度不變(biàn)時,通過(guo)噴㊙️嘴的(de)🔴流量也(yě)不變,正(zheng)是由于(yú)此特性(xìng)使音速(su)噴嘴作(zuo)爲标準(zhun)件💃廣泛(fan)應用于(yú)氣體流(liu)量标準(zhǔn)裝置中(zhong)🌈。
3.2音速噴(pen)嘴氣體(tǐ)流量标(biāo)準裝置(zhì)
　　音速噴(pen)嘴氣體(ti)流量标(biao)準裝置(zhi)按照氣(qi)源壓力(lì)不同🌏分(fen)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻爲正壓(yā)法和負(fu)壓法兩(liang)種。
　　正壓(yā)法裝置(zhì)通過改(gǎi)變噴嘴(zuǐ)人口的(de)滞止壓(ya)力改變(bian)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(jiao)高而可(kě)變的氣(qì)源壓力(lì)可以使(shi)其工作(zuo)在📐正壓(ya)(絕壓0.2MPa以(yi)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(lì))點上的(de)試驗能(neng)力,可🈲用(yong)于研究(jiu)氣體密(mì)度變化(hua)對于流(liu)量儀🌈表(biǎo)性能的(de)影響。
　　本(ben)文試驗(yan)裝置采(cǎi)用正壓(yā)法,工作(zuò)流量範(fan)圍爲工(gōng)況2.5~666m³/h,工作(zuò)壓力🏒範(fan)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(qì)中的空(kōng)氣送人(ren)管道，經(jing)冷幹機(ji)除去水(shui)氣後打(dǎ)人高壓(ya)儲氣罐(guan)中,待儲(chǔ)氣罐壓(yā)力升高(gao)到-定值(zhí)🏃🏻‍♂️之後,調(diao)節穩壓(ya)閥使其(qí)下遊管(guan)道壓力(lì)穩定在(zài)合适值(zhí),經穩壓(ya)閥調節(jie)後進人(ren)試驗🌈管(guan)道的高(gao)壓㊙️氣體(ti)先後流(liú)經渦街(jiē)流量計(ji)、滞止容(rong)器、音速(su)噴嘴🔅組(zǔ)、彙氣管(guǎn)、消音器(qì)後,最終(zhōng)通向大(da)氣。其中(zhōng)，音速噴(pēn)嘴組由(you)安裝在(zai)滞止容(róng)器下遊(you)的11個不(bu)同喉徑(jìng)音速噴(pēn)嘴并聯(lián)而成,通(tōng)過控制(zhi)音速噴(pen)嘴下遊(you)的開關(guan)閥門,可(ke)以任意(yì)選擇音(yin)速噴嘴(zui)的組合(he)方式,以(yǐ)達到改(gai)變被測(ce)儀表流(liú)量的目(mu)的。通過(guò)對滞止(zhǐ)容器🚶‍♀️上(shang)溫㊙️度變(biàn)送器T、壓(ya)力變送(sòng)器P1信号(hào)采集,代(dài)人公式(shì)(5)便🈲可得(de)到通過(guo)音速噴(pen)嘴的質(zhì)量流量(liang),亦即流(liu)過渦街(jiē)🐅流量計(jì)處的質(zhi)量流量(liàng)。通過測(ce)量渦街(jie)流量計(ji)處的溫(wen)度T和壓(yā)力P,可以(yǐ)計🔱算出(chū)工作⛷️狀(zhuàng)态下空(kong)氣密度(dù),進而得(dé)到實際(jì)體積流(liu)量。再根(gen)據相同(tóng)時間間(jiān)隔内渦(wo)街流量(liàng)計輸出(chū)脈沖的(de)檢測，可(ke)最終實(shí)現對渦(wo)街流量(liàng)計儀表(biao)系數等(deng)流量特(tè)性的研(yan)究。
　　上述(shù)全部工(gōng)作過程(cheng)均由計(jì)算機系(xi)統實時(shí)控制和(he)處理。經(jīng)過分析(xī)和測試(shi)，試驗裝(zhuāng)置精度(du)爲0.5級。
 
4流(liu)量特性(xìng)試驗研(yan)究
4.1試驗(yan)方案
　　在(zai)正壓法(fa)音速噴(pēn)嘴氣體(ti)流量标(biāo)準裝置(zhì)上,通過(guo)調節⛱️滞(zhi)止壓❄️力(lì)來改變(bian)介質密(mi)度,在4個(gè)不同介(jie)質密度(dù)條件🧑🏾‍🤝‍🧑🏼下(xia),分别對(dui)50mm口徑渦(wo)街流量(liàng)計進行(háng)大量的(de)試驗🐇。通(tōng)過數據(ju)分析，主(zhǔ)要從兩(liǎng)方面考(kǎo)察介質(zhì)密度變(biàn)化對渦(wo)街流量(liàng)計流量(liàng)特性的(de)影響:
(1)考(kǎo)察渦街(jie)流量計(ji)儀表系(xi)數受密(mi)度變化(huà)影響程(cheng)度,驗證(zheng)卡♍曼渦(wō)街理論(lun);
(2)考察渦(wo)街流量(liàng)計測量(liang)下限随(sui)密度改(gai)變的變(biàn)化趨勢(shi),從理論(lùn)角度給(gei)予解釋(shì)。
4.2試驗數(shù)據及分(fen)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(diào)壓範⚽圍(wéi)，試驗選(xuan)擇在表(biao)壓0.13MPa、0.2MPa、0.3MPa.0.4MPa下進(jin)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(róng)量有限(xiàn)(12m³),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(diǎn)選擇在(zai)176m³/h(對應流(liú)速爲25m/s);最(zuì)小流量(liàng)點即流(liú)量下限(xiàn)正是本(běn)文要研(yan)究的流(liú)量特性(xing)之一，由(you)試驗結(jie)果❓而定(dìng)。試驗嚴(yan)格按照(zhao)國家計(ji)量檢定(dìng)規程進(jin)行,在每(mei)個介質(zhi)密度下(xia)整個流(liu)量範圍(wei)内壓力(lì)變化不(bú)超過❌1kPa,在(zai)每個流(liu)量點的(de)每一次(cì)檢定過(guò)程中,壓(ya)縮空氣(qì)溫度變(bian)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(tóng)空氣密(mi)度下渦(wō)街儀表(biao)系數随(sui)流量變(biàn)化曲線(xiàn),并得到(dao)渦街流(liu)量計的(de)流量💛特(tè)性見表(biǎo)1。
 
　　式中:(Ki)max、(Ki)min爲(wei)各流量(liang)點系數(shù)Ki中最大(da)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(yí)表系數(shu)。
　　從圖3和(he)表1可總(zǒng)結出以(yǐ)下幾點(dian)結論:(1)不(bú)同密度(dù)下渦街(jie)各🙇🏻點儀(yí)表系數(shù)随流量(liang)變化曲(qu)線K-qv具有(yǒu)很好的(de)相似性(xìng)。小流量(liang)下K值波(bo)動較大(da),在流量(liang)點22m³/h處達(da)到峰值(zhí),之後K值(zhi)趨于常(chang)數且随(suí)着密度(dù)🈲的增大(da)穩定性(xing)愈好,這(zhe)是因爲(wei),影響渦(wō)街💁儀表(biǎo)系數的(de)斯特勞(láo)📱哈爾數(shù)Sr是雷諾(nuò)數Re的函(hán)數,而Re的(de)定義爲(wei):
 
　　式中:μ爲(wèi)動力粘(zhān)度。在流(liú)速U相同(tong)情況下(xià)，ρ變大時(shi)Re也相應(ying)☎️變大,根(gen)據🌈Sr-Re曲線(xiàn)(5),Sr将更加(jia)趨于平(ping)坦,故K值(zhí)随着介(jiè)質密度(dù)的增大(da)穩定性(xing)愈好。
(2)随(suí)着介質(zhi)密度的(de)增大,渦(wō)街流量(liang)計儀表(biao)系數變(biàn)化很小(xiǎo)，最大相(xiang)對誤差(cha)爲:
 
　　因而(ér)驗證了(le)卡曼渦(wō)街理論(lùn)得出的(de)渦街流(liú)量計幾(jǐ)乎不受(shòu)流體密(mì)度變化(hua)影響的(de)特點,非(fei)常适合(he)于氣體(ti)流量測(ce)量。
(3)随着(zhe)介質密(mì)度的增(zēng)大，渦街(jie)流量計(jì)不确定(dìng)度和線(xian)性度基(jī)本不變(bian),渦街流(liú)量計精(jing)度爲1.5級(jí),且不受(shòu)流體👣密(mi)度變化(hua)影響。
(4)随(suí)着介質(zhi)密度的(de)增大,渦(wō)街流量(liang)計流量(liàng)下限降(jiang)低,量程(cheng)擴大。這(zhè)是因爲(wei),由公式(shì)(2)可知,作(zuò)用在旋(xuan)渦發生(sheng)體上的(de)升力FL與(yǔ)被測🔅流(liu)體的密(mi)度ρ和流(liú)速U平方(fang)成正比(bi)。當壓縮(suō)空氣密(mi)度ρ升高(gao)時,在保(bǎo)證渦街(jiē)流量計(jì)的✍️檢測(ce)靈敏度(dù)(即升力(li)F)不變的(de)情🌂況下(xià),測量流(liu)速U會相(xiang)應降低(dī),那麽渦(wo)街流量(liang)計的.流(liu)量下限(xian)qvmin也會相(xiang)應降低(di),上述過(guò)程可表(biǎo)示爲下(xià)式:
 
　　式中(zhōng)α爲常數(shù),可見流(liu)量下限(xiàn)qvmin與相應(yīng)狀态下(xià)空氣密(mi)度平方(fāng)根的倒(dao)數即ρmin-1/2成(chéng)正比,這(zhè)就是渦(wō)街流量(liàng)計流量(liang)下限随(sui)介質密(mì)度增大(da)🚶‍♀️而降低(di)現象出(chū)現的理(li)論分析(xī)。結‼️合表(biǎo)1中實際(ji)數據,繪(hui)出qvmin~ρmin-1/2曲線(xian),見🤞圖4。
 
　　由(yóu)圖4可見(jian),試驗得(dé)到的qvmin~ρmin-1/2曲(qu)線基本(běn)符合公(gong)式(10)所述(shu)的線性(xìng)關系,隻(zhi)是在空(kōng)氣密度(dù)爲4.782kg/m³點處(chù)誤差較(jiào)大,這是(shì)由于🥵音(yin)速噴嘴(zui)标準裝(zhuang)置對于(yu)流量點(dian)調節的(de)非連續(xù)性造🛀成(cheng)的(在流(liú)量點14.8m³/h與(yǔ)9.9m³/h之間無(wu)中間流(liú)量點)。
5結(jie)論
(1)随着(zhe)介質密(mi)度的增(zeng)大,渦街(jie)流量計(ji)儀表系(xì)數變化(hua)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(ji)幾乎🌂不(bu)受流體(tǐ)💚密度變(biàn)化的影(yǐng)🐕響。
(2)随着(zhe)介質密(mi)度的增(zeng)大,渦街(jiē)流量計(ji)流量下(xia)限降低(di),量程擴(kuo)大,根據(jù)作用在(zài)旋渦發(fa)生體上(shàng)的升力(lì)公:式對(dui)此現象(xiang)🔴進行了(le)理論分(fèn)析。

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