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,對于不同介質渦街流量計無法實現計量檢測,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、相同溫度下對儀表K系數進行標定對比的現場實驗,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在相應精度區間內時,斯特羅哈爾數Sr近似于穩定常數值,則其儀表K系數近乎相似,利用不同介質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現的渦旋穩定性理論，通過測量穩定的漩渦頻率而實現流量計量的,而漩渦產生的頻率只與流體流速、斯特羅哈爾數Sr、漩渦發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Sr與漩渦.發生體形狀及雷諾數有關,因此雷諾數與渦街流量計有著精密的關聯。雷諾數是一種用來表征流體流動情況的無量綱數，物理上表示慣性力和黏性力量級之比，利于雷諾數可區分流體的流動是層流還是紊流。當流體流經的兩根管子的外部幾何條件相似時,如果雷諾數相等，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幾何相似。實際應用中,在漩渦發生體形狀固定時，雷諾數Re在2x104~7x106時,斯特羅哈爾數在此雷諾數范圍內，基本是--個常數。本文通過實驗方法對渦街流量計在上述雷諾數區間內,在同口徑相同溫度下,利用不同介質進行計量標定,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,產生漩渦分離的現象,形成有規則的漩渦列,而左右兩側漩渦的旋轉方向是相反的根據卡門渦街原理,漩渦發生頻率與管內平均流速u有以下關系:
式中:b為阻流件寬度,m;u為流經流量計的平均流速,m/s;ƒ為漩渦頻率,Hz;Sr為斯特羅哈爾數。
渦街流量計的K系數是單位體積的流體流過流量計時,流量計產生的脈沖數。由(1)式可知,漩渦產生頻率與平均流速、漩渦發生體形狀及幾何尺寸,斯特羅哈爾數相關。而查閱相關資料,經過大量實驗證明,斯特羅哈爾數Sr與雷諾數相關關系圖如1所示。
由圖1可知,當雷諾數在2x104~7x106時，斯特羅哈爾數在此雷諾數范圍內,基本是一個常數。由此可知,在漩渦發生體形狀和尺寸固定的情況下,只要將雷諾數控制在此區間范圍內，流速和頻率直接相關,因此,利用不同介質對渦街流量計的K系數進行標定時具有理論基礎和可行性的。
雷諾數的計算公式如下:
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,雷諾數取決于流體密度、流體流速、流經管道尺寸、流體的動力黏度。
將雷諾數控制在最佳區間內，利用水和空氣兩種介質對渦街流量計K系數進行計量檢定,得出實驗數據,從而驗證利用不同介質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:靜態質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流經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進行,介質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范圍為2.831×104~2.811×105;氣體渦街流量計雷諾數范圍為1.411×10*~1412×105。由上看出，氣體渦街最小流量測量點雷諾數已不在精度保證范圍之內,同時，根據JJG1029--2007《渦街流量計檢定規程》,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實驗數據分析
由上頁圖1可見，在相應雷諾數區間內,用水和氣對渦街流量計儀表K系數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
在相應雷諾數區間內,用不同介質對DN50渦街流量計K系數進行標定,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質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,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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