摘要:由于整套實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定裝置價(jià)格昂貴,氣液標(biāo)準(zhǔn)裝置無法全面覆蓋,對(duì)于不同介質(zhì)渦街流量計(jì)無法實(shí)現(xiàn)計(jì)量檢測(cè),通過對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量特性做簡(jiǎn)要介紹,在理論分析可行性的前提下,結(jié)合兩套標(biāo)準(zhǔn)裝置在不同介質(zhì)、相同溫度下對(duì)儀表K系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定對(duì)比的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,外部條件幾何相似時(shí),若渦街流量計(jì)的雷諾數(shù)在相應(yīng)精度區(qū)間內(nèi)時(shí),斯特羅哈爾數(shù)Sr近似于穩(wěn)定常數(shù)值,則其儀表K系數(shù)近乎相似,利用不同介質(zhì)檢測(cè)出的流量計(jì)誤差有一定參考價(jià)值。
引言
渦街流量計(jì)是基于馮卡門發(fā)現(xiàn)的渦旋穩(wěn)定性理論，通過測(cè)量穩(wěn)定的漩渦頻率而實(shí)現(xiàn)流量計(jì)量的,而漩渦產(chǎn)生的頻率只與流體流速、斯特羅哈爾數(shù)Sr、漩渦發(fā)生體的形狀和特征寬度b有關(guān)。渦街流量計(jì)輸出與流量成正比的脈沖信號(hào)。斯特羅哈爾數(shù)Sr與漩渦.發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān),因此雷諾數(shù)與渦街流量計(jì)有著精密的關(guān)聯(lián)。雷諾數(shù)是一種用來表征流體流動(dòng)情況的無量綱數(shù)，物理上表示慣性力和黏性力量級(jí)之比，利于雷諾數(shù)可區(qū)分流體的流動(dòng)是層流還是紊流。當(dāng)流體流經(jīng)的兩根管子的外部幾何條件相似時(shí),如果雷諾數(shù)相等，則對(duì)應(yīng)微團(tuán)的慣性力和黏性力之比相等，也就是流體流動(dòng)狀態(tài)幾何相似。實(shí)際應(yīng)用中,在漩渦發(fā)生體形狀固定時(shí)，雷諾數(shù)Re在2x104~7x106時(shí),斯特羅哈爾數(shù)在此雷諾數(shù)范圍內(nèi)，基本是--個(gè)常數(shù)。本文通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)渦街流量計(jì)在上述雷諾數(shù)區(qū)間內(nèi),在同口徑相同溫度下,利用不同介質(zhì)進(jìn)行計(jì)量標(biāo)定,繪制成曲線,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋。
1測(cè)量原理和方法
卡門渦街現(xiàn)象是指流體遇到垂直插人管道中的非流線型阻流件時(shí),會(huì)繞過阻流件流動(dòng),產(chǎn)生漩渦分離的現(xiàn)象,形成有規(guī)則的漩渦列,而左右兩側(cè)漩渦的旋轉(zhuǎn)方向是相反的根據(jù)卡門渦街原理,漩渦發(fā)生頻率與管內(nèi)平均流速u有以下關(guān)系:
式中:b為阻流件寬度,m;u為流經(jīng)流量計(jì)的平均流速,m/s;ƒ為漩渦頻率,Hz;Sr為斯特羅哈爾數(shù)。
渦街流量計(jì)的K系數(shù)是單位體積的流體流過流量計(jì)時(shí),流量計(jì)產(chǎn)生的脈沖數(shù)。由(1)式可知,漩渦產(chǎn)生頻率與平均流速、漩渦發(fā)生體形狀及幾何尺寸,斯特羅哈爾數(shù)相關(guān)。而查閱相關(guān)資料,經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明,斯特羅哈爾數(shù)Sr與雷諾數(shù)相關(guān)關(guān)系圖如1所示。
由圖1可知,當(dāng)雷諾數(shù)在2x104~7x106時(shí)，斯特羅哈爾數(shù)在此雷諾數(shù)范圍內(nèi),基本是一個(gè)常數(shù)。由此可知,在漩渦發(fā)生體形狀和尺寸固定的情況下,只要將雷諾數(shù)控制在此區(qū)間范圍內(nèi)，流速和頻率直接相關(guān),因此,利用不同介質(zhì)對(duì)渦街流量計(jì)的K系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)具有理論基礎(chǔ)和可行性的。
雷諾數(shù)的計(jì)算公式如下:
式中：ρ為流體密度,kg/m³;v為流體流速,m/s;D為流場(chǎng)的特征長(zhǎng)度(圓形管道為管道當(dāng)量直徑),m;η為流體的動(dòng)力黏度,Pa.s。
由式(2)得知,雷諾數(shù)取決于流體密度、流體流速、流經(jīng)管道尺寸、流體的動(dòng)力黏度。
將雷諾數(shù)控制在最佳區(qū)間內(nèi)，利用水和空氣兩種介質(zhì)對(duì)渦街流量計(jì)K系數(shù)進(jìn)行計(jì)量檢定,得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),從而驗(yàn)證利用不同介質(zhì)在其他條件相似條件下對(duì)同口徑同--渦街流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量檢定得出的誤差結(jié)果是否可信。
2實(shí)驗(yàn)
采用由2套社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)同--渦街流量計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。
裝置1:靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置(0.1級(jí));
裝置2:音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置(Urel=0.33%,k=2)
被檢表:線性和重復(fù)性較好的1.0級(jí)某廠家DN50渦街流量計(jì)(脈沖輸出)
對(duì)于DN50口徑,液體渦街流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)流量范圍為4~40m³/h;氣體渦街流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)流量范圍為30~300m³/h。
流量是指單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)封閉管道有效截面的流體量,換算成流速。對(duì)于DN50口徑,液體渦街流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)流量范圍為0.57~5.66m/s;氣體渦街流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)流量范圍為4.24~42.44m/s。
由于在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,介質(zhì)溫度變化可忽略不計(jì),都在20℃。20℃時(shí),水的密度為998.232kg/m³;動(dòng)力黏度為1.0050X10-3Pa.s;20℃時(shí),空氣的密度為1.205kg/m³;動(dòng)力黏度為1.8107×10-5Pa·s。
計(jì)算得出:對(duì)于DN50口徑,液體渦街流量計(jì)雷諾數(shù)范圍為2.831×104~2.811×105;氣體渦街流量計(jì)雷諾數(shù)范圍為1.411×10*~1412×105。由上看出，氣體渦街最小流量測(cè)量點(diǎn)雷諾數(shù)已不在精度保證范圍之內(nèi),同時(shí)，根據(jù)JJG1029--2007《渦街流量計(jì)檢定規(guī)程》,氣體渦街流量計(jì)在流量點(diǎn)在qt(0.2qmax)以下時(shí),1.0級(jí)渦街流量計(jì)誤差允許達(dá)到±2%，此時(shí)的K值對(duì)我們的研究有不確定性,因此,選取qt(0.2qmax)及以上流量點(diǎn)(包括0.2qmax、0.4qmax、qmax),利用兩套標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)上述流量點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。
3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
由上頁(yè)圖1可見，在相應(yīng)雷諾數(shù)區(qū)間內(nèi),用水和氣對(duì)渦街流量計(jì)儀表K系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定的誤差僅相差0.5%左右,不會(huì)引起明顯誤差。
4結(jié)語
在相應(yīng)雷諾數(shù)區(qū)間內(nèi),用不同介質(zhì)對(duì)DN50渦街流量計(jì)K系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,誤差基本一致。所以,對(duì)于1.5級(jí)及以下等級(jí)渦街流量計(jì)的標(biāo)定，如果受制于條件所限，檢測(cè)裝置不全面,用音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置互相代替檢測(cè)是具有可行性的。該實(shí)驗(yàn)中仍有一些不足:兩套標(biāo)準(zhǔn)裝置一套屬于正壓法檢測(cè),一套屬于負(fù)壓法檢測(cè),由于檢測(cè)設(shè)備工作方式的一些區(qū)別和臺(tái)位差,存在著一些不確定度,但如果兩種檢測(cè)設(shè)備的精度等級(jí)都控制在較高范圍內(nèi),該不確定度對(duì)于精度等級(jí)較低的渦街流量計(jì)是可以忽略不計(jì)的。
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