摘要:由于整套實驗室標定裝置價格昂貴,氣液標準裝置無法全面覆蓋,對于不同介質(zhì)渦街流量計無法實現(xiàn)計量檢測,通過對渦街流量計測量特性做簡要介紹,在理論分析可行性的前提下,結合兩套標準裝置在不同介質(zhì)、相同溫度下對儀表K系數(shù)進行標定對比的現(xiàn)場實驗,實驗結果表明,外部條件幾何相似時,若渦街流量計的雷諾數(shù)在相應精度區(qū)間內(nèi)時,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)檢測出的流量計誤差有一定參考價值。
引言
渦街流量計是基于馮卡門發(fā)現(xiàn)的渦旋穩(wěn)定性理論，通過測量穩(wěn)定的漩渦頻率而實現(xiàn)流量計量的,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。渦街流量計輸出與流量成正比的脈沖信號。斯特羅哈爾數(shù)Sr與漩渦.發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關,因此雷諾數(shù)與渦街流量計有著精密的關聯(lián)。雷諾數(shù)是一種用來表征流體流動情況的無量綱數(shù)，物理上表示慣性力和黏性力量級之比，利于雷諾數(shù)可區(qū)分流體的流動是層流還是紊流。當流體流經(jīng)的兩根管子的外部幾何條件相似時,如果雷諾數(shù)相等，則對應微團的慣性力和黏性力之比相等，也就是流體流動狀態(tài)幾何相似。實際應用中,在漩渦發(fā)生體形狀固定時，雷諾數(shù)Re在2x104~7x106時,斯特羅哈爾數(shù)在此雷諾數(shù)范圍內(nèi)，基本是--個常數(shù)。本文通過實驗方法對渦街流量計在上述雷諾數(shù)區(qū)間內(nèi),在同口徑相同溫度下,利用不同介質(zhì)進行計量標定,繪制成曲線,并對實驗結果進行分析和解釋。
1測量原理和方法
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,會繞過阻流件流動,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有以下關系:
式中:b為阻流件寬度,m;u為流經(jīng)流量計的平均流速,m/s;ƒ為漩渦頻率,Hz;Sr為斯特羅哈爾數(shù)。
渦街流量計的K系數(shù)是單位體積的流體流過流量計時,流量計產(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。而查閱相關資料,經(jīng)過大量實驗證明,斯特羅哈爾數(shù)Sr與雷諾數(shù)相關關系圖如1所示。
由圖1可知,當雷諾數(shù)在2x104~7x106時，斯特羅哈爾數(shù)在此雷諾數(shù)范圍內(nèi),基本是一個常數(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,因此,利用不同介質(zhì)對渦街流量計的K系數(shù)進行標定時具有理論基礎和可行性的。
雷諾數(shù)的計算公式如下:
式中：ρ為流體密度,kg/m³;v為流體流速,m/s;D為流場的特征長度(圓形管道為管道當量直徑),m;η為流體的動力黏度,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)對渦街流量計K系數(shù)進行計量檢定,得出實驗數(shù)據(jù),從而驗證利用不同介質(zhì)在其他條件相似條件下對同口徑同--渦街流量計進行計量檢定得出的誤差結果是否可信。
2實驗
采用由2套社會公用計量標準對同--渦街流量計進行檢測。
裝置1:靜態(tài)質(zhì)量法水流量標準裝置(0.1級);
裝置2:音速噴嘴氣體流量標準裝置(Urel=0.33%,k=2)
被檢表:線性和重復性較好的1.0級某廠家DN50渦街流量計(脈沖輸出)
對于DN50口徑,液體渦街流量計標準流量范圍為4~40m³/h;氣體渦街流量計標準流量范圍為30~300m³/h。
流量是指單位時間內(nèi)流經(jīng)封閉管道有效截面的流體量,換算成流速。對于DN50口徑,液體渦街流量計標準流量范圍為0.57~5.66m/s;氣體渦街流量計標準流量范圍為4.24~42.44m/s。
由于在恒溫恒濕實驗室內(nèi)進行,介質(zhì)溫度變化可忽略不計,都在20℃。20℃時,水的密度為998.232kg/m³;動力黏度為1.0050X10-3Pa.s;20℃時,空氣的密度為1.205kg/m³;動力黏度為1.8107×10-5Pa·s。
計算得出:對于DN50口徑,液體渦街流量計雷諾數(shù)范圍為2.831×104~2.811×105;氣體渦街流量計雷諾數(shù)范圍為1.411×10*~1412×105。由上看出，氣體渦街最小流量測量點雷諾數(shù)已不在精度保證范圍之內(nèi),同時，根據(jù)JJG1029--2007《渦街流量計檢定規(guī)程》,氣體渦街流量計在流量點在qt(0.2qmax)以下時,1.0級渦街流量計誤差允許達到±2%，此時的K值對我們的研究有不確定性,因此,選取qt(0.2qmax)及以上流量點(包括0.2qmax、0.4qmax、qmax),利用兩套標準裝置對上述流量點進行檢測。
3實驗數(shù)據(jù)分析
由上頁圖1可見，在相應雷諾數(shù)區(qū)間內(nèi),用水和氣對渦街流量計儀表K系數(shù)進行標定的誤差僅相差0.5%左右,不會引起明顯誤差。
4結語
在相應雷諾數(shù)區(qū)間內(nèi),用不同介質(zhì)對DN50渦街流量計K系數(shù)進行標定,誤差基本一致。所以,對于1.5級及以下等級渦街流量計的標定，如果受制于條件所限，檢測裝置不全面,用音速噴嘴氣體流量標準裝置和靜態(tài)質(zhì)量法水流量標準裝置互相代替檢測是具有可行性的。該實驗中仍有一些不足:兩套標準裝置一套屬于正壓法檢測,一套屬于負壓法檢測,由于檢測設備工作方式的一些區(qū)別和臺位差,存在著一些不確定度,但如果兩種檢測設備的精度等級都控制在較高范圍內(nèi),該不確定度對于精度等級較低的渦街流量計是可以忽略不計的。
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