摘要(yao):利用(yong)正壓(ya)法音(yin)速(su)噴嘴氣(qi)體流(liu)量标(biao)準裝(zhuang)置,通(tong)過調節試(shi)驗管(guan)道中(zhong)介質(zhi)的工作壓力(0.23~0.5MPa)來(lai)改變(bian)介(jie)質(zhi)密度(du),分别(bie)在空(kong)氣密(mi)度爲2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3、5.987kg/m3四種(zhong)情況(kuang)下對(dui)50mm口(kou)徑氣體(ti)渦街(jie)流(liu)量計 的(de)流量(liang)特性(儀表(biao)系數、線性(xing)度、不确定度.流(liu)量下(xia)限)進行了(le)大量(liang)試驗研究(jiu)。試驗(yan)結果(guo)表明(ming),不同密度(du)下(xia) 渦(wo)街流(liu)量計(ji) 儀(yi)表(biao)系數的最(zui)大相對誤(wu)差0.405%,驗(yan)證了渦街(jie)流量計儀(yi)表系(xi)數幾(ji)乎不(bu)受流體密(mi)度變(bian)化的(de)影響;并發(fa)現渦(wo)街流量計(ji)的流(liu)量下限(xian)随(sui)着介質密度的(de)增大(da)而向下延伸,對(dui)此現(xian)象進(jin)行了(le)分析。
1引言(yan)
　　渦街(jie)流量計是一種(zhong)利用流(liu)體(ti)振動(dong)原理來進(jin)行流(liu)量測量的(de)振動式流量計,廣泛(fan)應用于測量和工業(ye)過程控制(zhi)領域中。但(dan)曆史(shi)較短(duan),理論基礎(chu)和實(shi)踐(jian)經(jing)驗不(bu)足,還(hai)有許多工(gong)作需要探(tan)索、充(chong)實1.21渦(wo)街(jie)流量計(ji)最基(ji)本(ben)的(de)流量(liang)方程(cheng)經常(chang)引用(yong)卡曼渦(wo)街(jie)理論(lun)，進而得出渦街(jie)流量計旋渦分(fen)離的(de)頻(pin)率僅與(yu).流體(ti)工(gong)作狀态下的體積流量(liang)成正比,而(er)對被(bei)測流(liu)體溫度、壓(ya)力、密度、粘(zhan)度和組分變(bian)化不敏(min)感的(de)特(te)點。實際(ji)應用中,現場工(gong)作條(tiao)件的變化(hua)到底會對渦街(jie)流量計(ji)測(ce)量帶來多(duo)大的附加(jia)誤差尚不明确(que)。SophieGoujon-Durand研究了流體粘(zhan)度對(dui)渦(wo)街(jie)流量計線性(xing)度(du)的影(ying)響,繪出不(bu)同粘度對渦(wo)街線性(xing)度的校(xiao)正(zheng)曲線[4]”。通過氣體(ti)不同(tong)工作(zuo)壓力(li)下的(de)試驗(yan)驗證了渦(wo)街流(liu)量(liang)計不随(sui)介質密度(du)變化(hua)的結(jie)論，但是并(bing)未給(gei)出(chu)具體試(shi)驗數(shu)據。本文采用試(shi)驗方法,利(li)用正壓(ya)法音速(su)噴嘴(zui)氣(qi)體流量(liang)标準裝置(zhi),在不(bu)同介(jie)質(zhi)密(mi)度下(xia)對渦街流量計的流(liu)量特(te)性進(jin)行對比研(yan)究，得(de)到儀(yi)表系數和(he)流量下限随密度變化(hua)曲線和(he)趨勢,并對(dui)試驗(yan)結果(guo)進行分析(xi)解釋(shi)。
2渦街流量(liang)計工作原(yuan)理
　　如(ru)圖1所示(shi)，管(guan)道中(zhong)垂直(zhi)插人一梯(ti)形柱狀旋(xuan)渦.發(fa)生體(ti),随(sui)着流體(ti)流動,當(dang)管(guan)道雷(lei)諾數(shu)達到(dao)一定(ding)值時,在(zai)旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)兩側會交(jiao)替地産生有規(gui)則的(de)旋(xuan)渦,這種(zhong)旋渦稱爲(wei)卡曼(man)渦街(jie)。

設(she)旋(xuan)渦發生(sheng)頻率爲，f,旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)迎流面寬(kuan)度爲d,表體(ti)通徑(jing)爲D,根(gen)據卡曼渦(wo)街原(yuan)理，可(ke)知:

　　式中:U1爲(wei)旋渦(wo)發生(sheng)體兩側(ce)平(ping)均流速;U爲(wei)被測介質(zhi)來流的平(ping)均流(liu)速;Sr爲(wei)斯(si)特勞哈(ha)爾數(shu),對(dui)一(yi)定形(xing)狀的旋(xuan)渦(wo)發生(sheng)體在一(yi)定(ding)雷諾(nuo)數範圍内爲常(chang)數;m爲旋渦(wo)發生(sheng)體兩(liang)側弓(gong)形面(mian)積與管道(dao)橫截面面積(ji)之(zhi)比。
　　流(liu)體在(zai)産生旋渦(wo)的同時還(hai)受到(dao)一個垂(chui)直(zhi)方向(xiang)上力(li)的作用,根(gen)據湯姆生定律和庫塔(ta)一-儒可(ke)夫斯基(ji)升(sheng)力定(ding)理,設作(zuo)用(yong)在旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)每單(dan)位長(zhang)度上(shang)的升(sheng)力爲FL有:

式(shi)中:cL爲(wei)升力(li)系數;ρ爲流(liu)體密(mi)度。
　　由于交(jiao)替地作用在發(fa)生體(ti).上升(sheng)力的頻率(lü)就是旋渦(wo)的脫落(luo)頻率,通(tong)過壓(ya)電探頭對(dui)FL變化頻(pin)率(lü)的檢測，即可得到?再(zai)由式(1)可得(de)體積(ji)流量(liang)qv:

式中:K爲渦(wo)街流(liu)量計(ji)的儀表系(xi)數(shu)。
　　從式(3)、(4)可(ke)以看出,對(dui)于确定的(de)D和d,流(liu)體的(de)體積(ji)流量qv與旋(xuan)渦頻(pin)率?成(cheng)正比(bi),而?隻(zhi)與(yu)流(liu)速U和(he)旋渦(wo)發生體的(de)幾何參數(shu)有關(guan),且與(yu)被測(ce)流體(ti)的物性和(he)組分(fen)無關，因此可以(yi)得出(chu)渦(wo)街(jie)流量(liang)計不(bu)受(shou)流體溫(wen)度、壓力、密(mi)度、粘(zhan)度、組分因(yin)素的(de)影響。本文研究(jiu)在複(fu)雜的現場(chang)環境下,工(gong)作壓力的(de)增加(jia)、介質(zhi)密度的變(bian)化對渦街(jie)流量(liang)計測(ce)量産生的影響(xiang)。
3試驗裝置
3.1音速(su)噴嘴工作(zuo)原理
　　文丘(qiu)利噴嘴是(shi)個孔徑(jing)逐(zhu)漸減(jian)小的(de)流(liu)道,孔徑(jing)最小的(de)部(bu)分稱(cheng)爲噴嘴的喉部(bu),喉部的後面有孔徑(jing)逐(zhu)漸(jian)擴大(da)的流道。當(dang)氣體(ti)通過噴嘴時,喉(hou)部的氣(qi)體(ti)流速将随(sui)着節流壓(ya)力比(bi)減小(xiao)而增大。當節流壓力(li)比小到一(yi)定值(zhi)時,喉部流速達(da)到最大流速一音速(su)。此時若再(zai)減小節流(liu)壓力(li)比,流速(流量)将(jiang)保持(chi)音(yin)速(su)不變(bian),不再(zai)受下遊壓(ya)力的影響(xiang)，而隻(zhi)與噴(pen)嘴人(ren)口處(chu)的滞止壓力和(he)溫度有關,此時(shi)的噴(pen)嘴稱(cheng)爲音(yin)速噴嘴(zui),流量方(fang)程式爲(wei):

　　式中:qm爲(wei)流過噴(pen)嘴(zui)的質(zhi)量流量;A.爲音速(su)噴嘴(zui)喉部面積(ji);C爲流(liu)出系(xi)數;C.爲臨界(jie)流函(han)數;P。爲(wei)音速噴嘴(zui)人口處滞止絕對壓(ya)力;T。爲音速噴嘴(zui)人口(kou)處滞(zhi)止絕(jue)對溫度;R爲(wei)通用(yong)氣體(ti)常數;M爲氣(qi)體千摩爾(er)質量。
　　從式(shi)(5)可以看出(chu),一.種喉徑(jing)的噴嘴隻(zhi)有一一個(ge)臨界流量(liang)值,噴(pen)嘴人口的滯止(zhi)壓力和滞(zhi)止溫度不變時,通過(guo)噴嘴的流量也不變,正(zheng)是由于(yu)此特(te)性(xing)使音速(su)噴.嘴(zui)作(zuo)爲(wei)标準(zhun)件廣泛(fan)應(ying)用于(yu)氣體(ti)流量(liang)标準(zhun)裝置(zhi)中。
3.2音(yin)速噴(pen)嘴氣體流(liu)量标(biao)準裝置
　　音速噴(pen)嘴氣體流量标(biao)準裝置按(an)照氣(qi)源壓(ya)力不(bu)同分(fen)爲正壓法(fa)和負壓法(fa)兩(liang)種(zhong)。
　　正壓(ya)法裝置(zhi)通(tong)過改(gai)變噴(pen)嘴人口的(de)滞止(zhi)壓(ya)力(li)改變(bian)流過噴嘴的氣(qi)體流量,用(yong)較少(shao)的噴嘴實現較(jiao)寬的流量(liang)範圍,而且(qie)較高而可(ke)變的(de)氣(qi)源壓力(li)可以(yi)使其工作(zuo)在正壓(絕(jue)壓0.2MPa以上)狀态下,從而(er)氣體(ti)密度(du)高于常壓裝置(zhi),具有(you)不同密度(壓力(li))點上的試(shi)驗能(neng)力,可(ke)用于(yu)研究(jiu)氣體(ti)密度變化(hua)對于(yu)流量(liang)儀表(biao)性能的(de)影響。
　　本(ben)文試(shi)驗裝(zhuang)置采(cai)用正壓法,工作(zuo)流量範(fan)圍(wei)爲工況2.5~666m3/h,工(gong)作壓(ya)力範(fan)圍爲表壓(ya)0.1~0.5MPa,裝置結構(gou)圖如(ru)圖2所(suo)示。工作原理是:首先(xian)由(you)空壓機(ji)将大氣中(zhong)的空氣送人管道，經(jing)冷幹機(ji)除去水(shui)氣後(hou)打人高壓(ya)儲氣罐中,待儲(chu)氣罐(guan)壓力升高(gao)到-定值之(zhi)後,調節穩(wen)壓(ya)閥使其(qi)下遊管(guan)道壓力(li)穩定在(zai)合适值(zhi),經穩壓(ya)閥(fa)調節(jie)後進(jin)入試驗管(guan)道的(de)高壓氣體先後流經渦街(jie)流量(liang)計、滯(zhi)止容(rong)器、音(yin)速噴(pen)嘴組(zu)、彙氣管(guan)、消(xiao)音器(qi)後,最終(zhong)通(tong)向大(da)氣。其中，音(yin)速噴嘴組由安裝在(zai)滞止容器(qi)下遊(you)的11個不同喉徑(jing)音速(su)噴嘴(zui)并聯(lian)而成(cheng),通過控制(zhi)音速噴嘴(zui)下遊(you)的開(kai)關閥門,可(ke)以任(ren)意選(xuan)擇音(yin)速噴嘴的組合(he)方式，以達到改(gai)變被測儀表流(liu)量的目(mu)的(de)。通過(guo)對滞止容器上(shang)溫度變送器T、壓(ya)力變(bian)送器(qi)P,信号(hao)采集(ji),代人(ren)公式(shi)(5)便可(ke)得到(dao)通過(guo)音速噴(pen)嘴(zui)的質(zhi)量流(liu)量,亦(yi)即流(liu)過渦街(jie)流(liu)量計處的質量(liang)流量(liang)。通過測(ce)量(liang)渦街(jie)流量計處的溫(wen)度T和壓(ya)力(li)P,可以(yi)計算(suan)出(chu)工作狀(zhuang)态下空氣密度(du),進而得到實際(ji)體積(ji)流量(liang)。再根(gen)據相(xiang)同(tong)時間間(jian)隔内渦街(jie)流量(liang)計輸(shu)出脈沖的(de)檢測，可(ke)最(zui)終實現對(dui)渦街流量(liang)計儀表(biao)系(xi)數等流量特性的研(yan)究。
上(shang)述全(quan)部工(gong)作過(guo)程均(jun)由計(ji)算機(ji)系(xi)統(tong)實時(shi)控制(zhi)和處(chu)理。經(jing)過分析和測試(shi)，試驗裝(zhuang)置(zhi)精确(que)度爲0.5級。

4流量特(te)性試(shi)驗研(yan)究
4.1試(shi)驗方案
在正壓(ya)法音(yin)速噴(pen)嘴氣(qi)體流量标(biao)準裝置，上,通過調節(jie)滞止壓力來改變介(jie)質密度,在(zai)4個不(bu)同介(jie)質密(mi)度條件下,分别(bie)對50mm口徑渦街流(liu)量計(ji)進行(hang)大量(liang)的試驗。通過數(shu)據分(fen)析,主要從(cong)兩方面(mian)考(kao)察介(jie)質密度變化對(dui)渦街流量(liang)計流(liu)量特(te)性的(de)影響(xiang):
(1)考察渦(wo)街流量計儀表(biao)系數受(shou)密度(du)變化影響(xiang)程度(du),驗證卡曼(man)渦街理論(lun);
(2)考察渦街(jie)流(liu)量(liang)計測(ce)量下限(xian)随密度(du)改變(bian)的變化趨(qu)勢,從理論角度(du)給予解(jie)釋(shi)。
4.2試驗(yan)數據及(ji)分(fen)析
爲(wei)了保證音速噴(pen)嘴在喉部達到音速(su),并(bing)結合穩(wen)壓閥(fa)的調(diao)壓範(fan)圍，試(shi)驗選擇在(zai)表壓0.13MPa、0.2MPa.0.3MPa、0.4MPa下進(jin)行,對應空(kong)氣介質密(mi)度分(fen)别爲(wei)2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3.5.987kg/m3。由于(yu)高壓(ya)儲(chu)氣罐的(de)容量(liang)有限(xian)(12m'),爲避(bi)免當流量大時(shi)管道(dao)内壓力下(xia)降迅速，試(shi)驗最(zui)大流量點(dian)選擇(ze)在176m3/h(對(dui)應(ying)流速爲(wei)25m/s);最小流量點即流量下限(xian)正是(shi)本文要研(yan)究的(de)流量(liang)特(te)性(xing)之一(yi)，由試(shi)驗結(jie)果而(er)定。試驗嚴(yan)格按(an)照國家計量檢(jian)定規(gui)程(cheng)進行,在(zai)每個(ge)介質(zhi)密度(du)下整個流量範(fan)圍内壓力(li)變化(hua)不超(chao)過1kPa,在每個(ge)流量(liang)點的(de)每一(yi)次檢(jian)定過程中(zhong)，壓縮(suo)空(kong)氣(qi)溫度變化不超(chao)過0.5℃。
根(gen)據試(shi)驗得(de)到的數據(ju),可(ke)繪(hui)制出(chu)如圖3不同空氣(qi)密度下渦(wo)街儀(yi)表系(xi)數随(sui)流量(liang)變化曲線，并得(de)到渦街(jie)流(liu)量計(ji)的流(liu)量特(te)性見(jian)表1。

從圖(tu)3和(he)表1可(ke)總結出(chu)以下幾(ji)點結論(lun):
(1)不(bu)同密(mi)度下(xia)渦街(jie)各點(dian)儀表(biao)系數(shu)随流(liu)量變化(hua)曲線K-q,具(ju)有很(hen)好的相似(si)性。小(xiao)流量下K值(zhi)波動(dong)較大,在流(liu)量點(dian)22m3/h處達(da)到峰(feng)值,之後(hou)K值趨于常數且随着密(mi)度的增大(da)穩定(ding)性愈好,這是因(yin)爲,影響(xiang)渦(wo)街儀(yi)表系(xi)數的(de)斯特(te)勞哈爾數(shu)Sr是雷諾數(shu)Re的函(han)數,而(er)Re的定(ding)義爲(wei):

式中(zhong):μ爲動(dong)力粘度。在(zai)流速(su)U相同(tong)情況(kuang)下,ρ變大時(shi)Re也相(xiang)應變大,根據Sr-Re曲(qu)線'),Sr将(jiang)更加趨于(yu)平坦,故K值(zhi)随着介質(zhi)密度(du)的增(zeng)大穩(wen)定性(xing)愈好(hao)。
(2)随着介質密度(du)的增大(da),渦(wo)街流(liu)量計儀表系數(shu)變化(hua)很小,最大(da)相對(dui)誤差爲:

因(yin)而驗證了卡曼(man)渦街(jie)理(li)論得出(chu)的渦街流量計(ji)幾乎(hu)不(bu)受流體(ti)密度變化(hua)影響(xiang)的特(te)點(dian),非常适(shi)合于氣(qi)體流量測量(liang)。
(3)随着(zhe)介質(zhi)密度的(de)增(zeng)大,渦(wo)街流(liu)量計不确(que)定度和線性度(du)基本(ben)不變(bian),渦街(jie)流量(liang)計準(zhun)确度爲1.5級(ji),且(qie)不受流(liu)體密度(du)變(bian)化影(ying)響。
(4)随着介質密(mi)度的增大,渦街(jie)流量(liang)計流(liu)量下(xia)限降(jiang)低,量(liang)程擴(kuo)大。這是(shi)因爲,由(you)公式(2)可知(zhi),作用(yong)在旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)上的(de)升力(li)FL與被(bei)測流體的(de)密度(du)ρ和流速U平方成(cheng)正比(bi)。當(dang)壓(ya)縮空(kong)氣密(mi)度ρ升高時(shi),在保(bao)證渦街流(liu)量計(ji)的檢(jian)測靈敏度(即升(sheng)力FL)不(bu)變的(de)情況(kuang)下,測(ce)量流速U會相應(ying)降低(di),那(na)麽渦街流量(liang)計的流量(liang)下限q.mi也(ye)會(hui)相應(ying)降低，上(shang)述過程(cheng)可表示爲下式:


5結論(lun)
(1)随着介質(zhi)密度的增(zeng)大,渦街流量計儀表(biao)系數(shu)變(bian)化很小,最大(da)相對誤差(cha)僅爲0.405%,驗證了渦(wo)街流量計(ji)幾乎(hu)不受(shou)流體(ti)密度變化(hua)的(de)影響。
(2)随(sui)着介(jie)質密(mi)度的(de)增大,渦街流量(liang)計流量下(xia)限降(jiang)低,量程擴(kuo)大,根(gen)據作用在(zai)旋渦(wo)發生(sheng)體上的升(sheng)力公式對(dui)此現(xian)象進行了理論(lun)分析(xi)。

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