摘要:一種(zhong)執行(hang)德國(guo)标準(zhun)DIN2501的進口氣體渦(wo)街流量計(ji) 安裝(zhuang)在國(guo)标流量裝(zhuang)置上進行(hang)标定(ding)時，因(yin)兩者管道(dao)内徑(jing)尺(chi)寸(cun)存在差異(yi)，導緻常規(gui)方法下測(ce)壓位(wei)置的(de)選(xuan)取對标(biao)準裝(zhuang)置體(ti)積流(liu)量值(zhi)的(de)計算正(zheng)确率造成(cheng)影響(xiang)，因而産(chan)生實驗(yan)誤差(cha);本文(wen)對這一現(xian)象進行分(fen)析研究(jiu)，并(bing)通過(guo)多組實驗數據(ju)對比，驗證了系統誤差确(que)實存(cun)在，但(dan)在常(chang)溫常(chang)壓以(yi)空氣(qi)作介(jie)質的實驗(yan)條件下，此(ci)誤差(cha)的影(ying)響量(liang)很小(xiao)，一般(ban)可忽(hu)略不(bu)計，由(you)此說明(ming)應(ying)用常(chang)規的(de)實驗方法(fa)對該(gai)類進(jin)口渦(wo)街流(liu)量(liang)計進行(hang)标定也(ye)是可行的。
0引(yin)言
　　渦(wo)街流(liu)量計 是(shi)通(tong)過卡(ka)門漩(xuan)渦原理測(ce)量流體流量的(de)一種(zhong)儀表，相比(bi)上世紀(ji)80年代使(shi)用較(jiao)爲(wei)廣泛的(de)孔闆流量計，其(qi)具有(you)結(jie)構簡單(dan)，壓力(li)損(sun)失(shi)小，量程範(fan)圍寬，便于(yu)安裝等優(you)點［1］。因此，随着技(ji)術的(de)發展(zhan)，渦街(jie)流量(liang)計在(zai)工(gong)業(ye)計量(liang)上的(de)使用(yong)逐漸(jian)成爲(wei)主流(以下(xia)簡稱(cheng)流量(liang)計或(huo)儀表(biao))。
1工(gong)作原理(li)
　　流量計通(tong)過在(zai)流體中(zhong)設(she)置三(san)角柱型旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)，使(shi)流體産(chan)生卡門漩(xuan)渦，在一定(ding)雷(lei)諾(nuo)數範(fan)圍内(nei)，旋(xuan)渦(wo)的釋(shi)放頻率(lü)與流體(ti)平均(jun)流速(su)、旋渦(wo)發生(sheng)體特征寬(kuan)度有(you)關，通(tong)過測(ce)量旋(xuan)渦頻率可(ke)以計算出(chu)流體的流(liu)速，再(zai)測得(de)流量(liang)計管(guan)道截面積(ji)可換(huan)算得(de)體積流量(liang)［1－2］。
2氣體流量(liang)标(biao)準裝置(zhi)
　　流量計在(zai)投入(ru)使用(yong)前進行量(liang)值溯源(yuan)是(shi)不可缺少的(de)環節，而(er)在量(liang)值傳(chuan)遞工(gong)作的(de)開展(zhan)中，負(fu)壓法臨界流文丘裏(li)噴嘴氣體(ti)流量标準(zhun)裝置(zhi)是一(yi)種(zhong)十分典(dian)型常見的(de)流量标準裝置，如圖(tu)1所示，它具備結構簡單(dan)、穩定性(xing)好、适用(yong)範圍廣(guang)等優點(dian)，其(qi)工作(zuo)原理是(shi)當氣體(ti)在噴嘴上(shang)下遊(you)的壓差達到一(yi)定值時将(jiang)形成(cheng)臨界(jie)流，此(ci)時流(liu)經噴(pen)嘴(zui)喉部的(de)氣體流速達到(dao)最大(da)值，測量該(gai)狀态(tai)下流(liu)體的(de)溫度(du)、靜壓、濕度(du)，由密度換(huan)算得(de)流過(guo)噴嘴(zui)的氣(qi)體質量(liang)流(liu)量，根(gen)據連(lian)續(xu)性(xing)原理(li)，流場内各(ge)處質(zhi)量流量(liang)相等［3］。通(tong)過選用(yong)不(bu)同的噴嘴組合使标(biao)準流量可控，以(yi)滿足(zu)對(dui)流量計(ji)進行(hang)标定(ding)的實驗需(xu)求。
 
3執(zhi)行标(biao)準不(bu)同(tong)帶(dai)來的(de)管徑(jing)差異(yi)
　　以無(wu)縫鋼(gang)管(guan)爲(wei)例，由(you)于存在标準體(ti)系、尺寸的單位制等差異，再有(you)加工誤(wu)差(cha)因素(su)，标稱通徑相同(tong)的兩段(duan)管道，它們的(de)實際内徑(jing)尺寸也不盡然相等。如圖2所示(shi)，這款Prowirl72F系(xi)列(lie)的德國進口Endress+Hauser品(pin)牌流(liu)量計(ji)，參(can)考(kao)說明(ming)書标(biao)示，如圖3所(suo)示，其表體管道生産(chan)工(gong)藝依據(ju)德标DIN2501标(biao)準(zhun)，部分規格(ge)的流量計(ji)外形尺(chi)寸如表1所示(shi)，常見用于(yu)中低壓(ya)環(huan)境下的流(liu)量計内徑(jing)d普遍(bian)比标稱值(zhi)偏大(da)約(yue)3%至(zhi)7%。而在(zai)國内(nei)用(yong)于标定流量計(ji)的标準(zhun)裝置爲(wei)保障通用性(xing)需求，一般(ban)遵循(xun)我(wo)國(guo)現行(hang)的國家标(biao)準設(she)計，其中直管段(duan)部分(fen)選材(cai)依據(ju)GB/T17395－2008，各規(gui)格的(de)管道(dao)通徑尺寸與标(biao)稱值(zhi)接近(jin)相等(deng)，在對上(shang)述德标(biao)流量計(ji)進(jin)行标定時，會(hui)出現因(yin)兩者(zhe)管(guan)道内徑(jing)存在一(yi)定差異(yi)的情況，将可能(neng)帶來(lai)實(shi)驗(yan)誤差(cha)。  
 
4标定(ding)誤(wu)差(cha)來源(yuan)分析
　　渦街(jie)流量(liang)計本質上(shang)是一種速(su)度式(shi)流量(liang)計，其(qi)直接測量(liang)的量爲(wei)介質的(de)流速，考慮到由(you)于體(ti)積(ji)流(liu)量僅(jin)以介質流(liu)速及截面積确定，不(bu)受其他因(yin)素影(ying)響，因(yin)此，一(yi)般以(yi)體積流量進行(hang)示值(zhi)誤差(cha)或儀(yi)表系數的計算依據(ju)。
　　在(zai)使(shi)用文(wen)丘裏噴(pen)嘴(zui)氣體流量(liang)标準裝置(zhi)對流量(liang)計(ji)進行标定(ding)時，根據連(lian)續性原理(li)，達到臨界條件後，隻(zhi)要分(fen)别測(ce)得被(bei)檢流(liu)量計、噴嘴(zui)兩處的氣體溫(wen)度、靜(jing)壓、濕(shi)度，則(ze)可通過密(mi)度關(guan)系計算被檢表(biao)處流量标(biao)準值(zhi)，即标準裝置示(shi)值，再(zai)讀取(qu)流量(liang)計示(shi)值即(ji)可計(ji)算示(shi)值誤差。但(dan)如上文所示的(de)流量計一般無(wu)法直(zhi)接測(ce)量其(qi)内部氣(qi)體(ti)狀态(tai)參數(shu)，而隻能在(zai)儀表上(shang)、下(xia)遊的管道(dao)上進行開(kai)孔測量作(zuo)近似(si)估值(zhi)，通(tong)過此方(fang)式所測流(liu)量标(biao)準值(zhi)實際爲測(ce)量孔截面(mian)處氣(qi)體流(liu)量。考(kao)慮到(dao)在實驗(yan)室條件(jian)下，氣體的(de)溫度(du)、濕度基本恒定(ding)，而在不同的位(wei)置測(ce)量(liang)的靜壓(ya)值則(ze)有較大差(cha)異，因此，測(ce)壓位(wei)置的選取對體(ti)積流(liu)量标(biao)準值(zhi)的計(ji)算(suan)正(zheng)确率(lü)起重(zhong)要影(ying)響。根(gen)據　　JJG1029－2007《渦街(jie)流量計(ji)檢定(ding)規(gui)程》，一般(ban)于儀(yi)表(biao)下遊段(duan)2至7倍内(nei)徑距離(li)的範(fan)圍内(nei)都可(ke)認爲是合(he)理的測壓(ya)位置，所測(ce)靜壓與儀(yi)表内(nei)部實際(ji)值(zhi)近似(si)視作相等(deng)［4－5］，但當(dang)被檢儀表爲上(shang)文所(suo)述(shu)E+H流量計(ji)時，由于(yu)其表體(ti)管道内徑(jing)稍大(da)于标準(zhun)裝置管(guan)道，則儀表(biao)與直管段(duan)間連接處(chu)将出現突(tu)變轉(zhuan)折截(jie)面(mian)，如(ru)圖4所(suo)示，當(dang)氣體(ti)流經(jing)轉折(she)面時(shi)，将産(chan)生一定(ding)壓力損(sun)失，此時下(xia)遊段(duan)測壓處所(suo)測得氣體靜(jing)壓(ya)理論(lun)上比儀表(biao)内部實際值小，導緻(zhi)計算所得(de)标準(zhun)體積(ji)流(liu)量比儀(yi)表處實際值大(da)，且流量越大該(gai)過程的(de)壓能損(sun)失越(yue)多(duo)，下遊測(ce)壓計算所(suo)得标(biao)準值(zhi)越偏離真(zhen)值，這(zhe)種(zhong)誤(wu)差可認爲是實驗方(fang)法引起的(de)系統(tong)誤差(cha)［6］。
 
4.1機(ji)械能損失分析(xi)
　　因流量計(ji)傳感(gan)器組成部(bu)分前(qian)後均(jun)有一(yi)定長(zhang)度表體(ti)直(zhi)管段(duan)且與标準裝置(zhi)管道(dao)間内徑差(cha)異較(jiao)小，流場擾(rao)動基本被儀表本身(shen)抗(kang)幹擾能(neng)力克(ke)服(fu)，可(ke)認爲(wei)流量(liang)計計量性(xing)能不(bu)受影響，則(ze)隻需(xu)考慮氣體(ti)靜壓測(ce)量值的(de)正确(que)率(lü)。從(cong)能量(liang)損失角(jiao)度(du)分析:如圖5所(suo)示(shi)，由于(yu)流線不能(neng)轉折(she)，流體在(zai)流經突(tu)然收縮(suo)斷面時(shi)，将形(xing)成(cheng)流股收(shou)縮，至c－c斷面後逐漸擴(kuo)散，在(zai)此過(guo)程中(zhong)，流體(ti)先有加速(su)的(de)收縮流(liu)後減速的(de)擴散(san)流兩者都産生(sheng)阻力［7］。爲(wei)簡化分(fen)析此(ci)過程中的(de)能量損失(shi)，設流(liu)體爲(wei)不(bu)可壓縮(suo)流體，設c－c斷(duan)面處的理(li)想(xiang)平(ping)均流(liu)速爲v0，根(gen)據伯努(nu)利方(fang)程(cheng):
 
　　式(shi)中，α1爲(wei)動能修正系數(shu)，無量(liang)綱;v1爲斷面(mian)1－1處流體平(ping)均流速，m/s;P1爲(wei)斷面(mian)1－1處流(liu)體靜(jing)壓(ya)，N/m2;α0爲動能修正(zheng)系數(shu)，無量(liang)綱;v0爲斷(duan)面c－c處流(liu)體理想平均流(liu)速，m/s;PC爲(wei)斷面(mian)c－c處流(liu)體靜壓(ya)，N/m2;ρ爲流體(ti)密度(du)，kg/m3;g爲重(zhong)力加(jia)速度(du)，N/kg或m/s2。
　　實(shi)際上(shang)從1－1斷(duan)面(mian)至(zhi)c－c斷面(mian)間存(cun)在一(yi)定能(neng)量損失，假(jia)設爲(wei)U1，再者(zhe)c－c斷面的實(shi)際平(ping)均流速νC要比v0稍(shao)小一(yi)些，它(ta)們的(de)比(bi)值(zhi)νC/v0=Cν，稱爲流速(su)系數，一般(ban)約爲0.99～0.97［7］，基(ji)于(yu)本文所讨(tao)論(lun)情(qing)況，該(gai)斷面(mian)收(shou)縮(suo)較小(xiao)，取Cν=0.99計(ji)算，且在紊(wen)流狀(zhuang)态下α1=α0=1，即:
 
 
　　由(you)于在(zai)标(biao)定(ding)實驗(yan)中，流體介(jie)質一般爲(wei)空(kong)氣，而空(kong)氣是一種(zhong)可壓(ya)縮流體，考慮到(dao)在重(zhong)力場(chang)中，可壓縮(suo)性流體的(de)勢能(neng)與(yu)壓(ya)力能、動能(neng)比(bi)較起來(lai)是小(xiao)得可(ke)以忽(hu)略不(bu)計(ji)的(de)［7－8］，即伯(bo)努利方程可簡(jian)化爲以下(xia)形式(shi):
 
　　其中C爲常數，且(qie)氣體(ti)在流(liu)量計(ji)内(斷面(mian)1－1處(chu))流至測壓(ya)處(斷面2－2)的(de)過程(cheng)中可近似(si)地看(kan)作等熵過(guo)程，因此(ci)，有(you)P1/ρk1=P2/ρk2，ρ1=P1/P2()1/kρ2，對于(yu)空氣(qi)的(de)等熵指(zhi)數k≈1.4，由于在(zai)此過(guo)程中單位(wei)質量(liang)流體(ti)的能量損(sun)失U很(hen)小，爲(wei)簡化(hua)分析直接(jie)用ρ2計(ji)算其(qi)機(ji)械(xie)能損(sun)失，則(ze)方程(cheng)可寫爲：
 
　　式中，P1爲流量(liang)計内(nei)(斷(duan)面(mian)1－1處)空(kong)氣靜(jing)壓，N/m2;ρ1爲(wei)流量(liang)計内(斷面1－1處)空(kong)氣密(mi)度(du)，kg/m3;v1爲(wei)流量(liang)計内(斷(duan)面(mian)1－1處)空(kong)氣平(ping)均(jun)流速，m/s;P2爲(wei)測壓點(斷(duan)面2－2處(chu))空氣靜壓，N/m2;ρ2爲測(ce)壓點(斷(duan)面(mian)2－2處)空(kong)氣密(mi)度，kg/m3;v2爲流量(liang)計内(斷面2－2處)空(kong)氣平(ping)均(jun)流速，m/s。
　　由(you)于在标定(ding)實驗(yan)中，空(kong)氣(qi)的(de)質量(liang)流量Qm可通過文丘裏(li)噴嘴測量(liang)換算(suan)得到(dao)，設斷面1－1處(chu)、斷面(mian)2－2處管(guan)道面積(ji)爲(wei)S1、S2，則空(kong)氣在兩(liang)處的流(liu)速分别爲(wei):
 
　　式中，Qm爲空(kong)氣(qi)的質量(liang)流量，kg/s;S1爲(wei)斷(duan)面1－1管道截(jie)面積，m2;S2爲斷(duan)面2－2管道(dao)截(jie)面積(ji)，m2。
　　經過(guo)變換得到(dao)一個一元(yuan)方程，僅有(you)ρ1爲未知量(liang)，各項參(can)數(shu)均能(neng)在實(shi)驗(yan)中直接(jie)測量或換(huan)算所(suo)得，通(tong)過使用軟(ruan)件工具如(ru)MATLAB、Excel或其(qi)他方(fang)式解(jie)出ρ1，則(ze)P1=P2ρk1/ρk2，流量計内體積(ji)流量的理論值(zhi)QV爲:
 
式中，QV爲(wei)空氣(qi)的體積(ji)流量，m3/s。
5實(shi)驗數(shu)據比(bi)較
　　通過使(shi)用文丘裏(li)噴嘴氣體(ti)流量(liang)标準(zhun)裝(zhuang)置(zhi)對三(san)個不(bu)同規(gui)格的E+H渦街(jie)流(liu)量計進(jin)行标定(ding)，由(you)标準(zhun)器測量及密度(du)換算得(de)Qm、P2、ρ2，使(shi)用遊(you)标卡(ka)尺(chi)分别測(ce)量流量計(ji)與裝置管(guan)道内徑A1、A2，并(bing)計算兩(liang)者通徑截面積S1、S2、收(shou)縮系(xi)數Cc、測壓處截面參考(kao)流(liu)速(su)v2、單位(wei)質量流(liu)體(ti)的能量損失U，利用MATLAB軟(ruan)件中的(de)solve函數求解式(14)，得(de)流量計(ji)内氣體的理論密度(du)ρ1，理論靜壓(ya)P1，根據(ju)式(shi)(15)得(de)理論體積(ji)流量QV，計算(suan)其與标準(zhun)裝置(zhi)體積(ji)流量示值(zhi)的相(xiang)對(dui)誤(wu)差。表1～3爲三(san)種規格流(liu)量計(ji)的實(shi)驗數據
 
　　根(gen)據實(shi)驗數(shu)據，流量計(ji)體積(ji)流量示值與計(ji)算所(suo)得理論實際值雖然不相(xiang)等，但從相(xiang)對标(biao)準裝置示(shi)值的(de)誤差線性(xing)關系(xi)來看(kan)，兩者所呈(cheng)現的誤(wu)差均随着流(liu)速(su)的增加(jia)而往(wang)負方(fang)向增(zeng)長，如(ru)圖6、圖7所示(shi)。從這(zhe)個(ge)角(jiao)度來看，符(fu)合“因(yin)過程(cheng)存在(zai)壓能(neng)損失導緻(zhi)下遊測壓(ya)所得靜(jing)壓(ya)值偏(pian)小，流(liu)量(liang)裝置換(huan)算出的(de)标準體積流(liu)量示(shi)值偏(pian)大”這一分(fen)析。
 
 
6結(jie)論
　　對(dui)這(zhe)類(lei)内徑(jing)偏大(da)的渦(wo)街流量計(ji)采用下遊(you)測壓(ya)的常(chang)規方(fang)法進行(hang)标(biao)定時(shi)，标準裝置的體(ti)積流量示(shi)值實(shi)存在一定(ding)誤差(cha)，但計(ji)算(suan)數據也(ye)表明，在(zai)常溫常壓、使用空(kong)氣作(zuo)介質的條件下(xia)，即使(shi)在流速較(jiao)高時，由該(gai)方法(fa)引入(ru)的(de)系統誤(wu)差也很小(xiao)，僅爲(wei)0.1%左右(you)，對于(yu)絕大(da)多數(shu)精度(du)等級(ji)爲1.0甚(shen)至更低或(huo)使用場合(he)無極(ji)高精(jing)度要(yao)求的(de)流量(liang)計，一般可(ke)忽略(lue)此(ci)誤(wu)差，參(can)照檢定(ding)規(gui)程要求在流量(liang)計下(xia)遊段測壓的标(biao)定方(fang)法是(shi)可行(hang)的。當然(ran)，若(ruo)是利(li)用蒸汽(qi)或其他(ta)密度(du)較大(da)、流速(su)更高的介(jie)質進(jin)行标(biao)定時，該系(xi)統誤(wu)差(cha)也(ye)會随(sui)之增大(da)，建議盡量采(cai)用表體取(qu)壓或(huo)制作(zuo)匹配(pei)檢測(ce)管線的方(fang)法進行實(shi)驗。

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