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    渦街流量計

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    渦街流量計在不同介質下的比對試驗研究

    來源:作者:許文達 張濤 畢英 姜燕 李寶 李旭發表時間:2019-04-25 14:48:43

            渦街流量計在實際應用中,使用介質對其測量帶來多大的附加誤差尚不明確。本文采用試驗方法,利用在以空氣為介質的音速噴嘴法氣體流量標準裝置和以蒸汽為介質的蒸汽流量標準裝置的比對試驗,對在空氣和蒸汽介質下渦街流量計的流量特性進行對比研究,得到儀表系數在不同介質下變化曲線和趨勢,并對試驗結果進行分析解釋。

     
    一、 卡門渦街的基本原理
    如圖 1 所示,在測量管道中垂直地插入一非流線型阻流體,也稱發生體。隨著流體流動,當管道雷諾數達到一定值時,在發生體兩側就會交替地分離出卡門渦街。漩渦頻率 f 與流經發生體兩側的平均流速 U1 之間的關系可表示為
    f =SrU1/d (1)
    式中:f ——漩渦頻率,Hz ;Sr——斯特勞哈爾數 ;U1——發生體 兩 側的平均流速,m/s ;d——發生體迎流面的寬度,m。
    卡門渦街示意圖
    二、 試驗裝置和儀表
    1. 蒸汽流量標準裝置
    蒸汽冷凝稱重法是指蒸汽流過被檢表后,通過冷凝器全部冷凝成常溫水并由電子秤稱量,再根據測量被檢表處的壓力和溫度得到密度,進而得到被檢表處的標準體積量。
     
    冷凝稱重法蒸汽流量標準裝置(以下簡稱“蒸汽裝置”) 是國內較少采用蒸汽實流標定的蒸汽流量 標 準 裝 置。該 裝 置以過 熱 蒸 汽 作為檢 定 介 質,對 蒸汽流量儀表 進行實流標定,檢 定流量范圍為(2.5~10000)kg/h,其準確度等級為 0.1 級。該裝置可以開展 DN200 以下口徑渦街、彎管、V 錐、分流旋翼、孔板、旋進漩渦等多種蒸汽流量計的檢定、校準及相關檢測。
     
    2. 音速噴嘴法氣體流量標準裝置
    文丘里噴嘴是個孔徑逐漸減小的流道,孔徑好小的部分稱為噴嘴的喉部,喉部的后面有孔徑逐漸擴大的流道。當氣體通過噴嘴時,喉部的氣體流速將隨著節流壓力比減小而增大。當節流壓力比小到一定值時,喉部流速達到好大流速——音速。此時若再減小節流壓力比,流速(流量) 將保持音速不變,不再受下游壓力的影響,而只與噴嘴入口處的滯止壓力和溫度有關,此時的噴嘴稱為音速噴嘴,流量方程式為
    20190425145146.jpg
     
    式中:qm——流過噴嘴的質量流量;A*——音速噴嘴喉部面積;C——流出系數 ;C*——臨界流函數 ;P0——音速噴嘴入口處滯止絕對壓力;T 0——音速噴嘴入口處滯止絕對溫度 ;R——通用氣體常數 ;M——氣體千摩爾質量。
     
    從式(2) 可以看出,一種喉徑的噴嘴只有一個臨界流量值,噴嘴入口的滯止壓力和滯止溫度不變時,通過噴嘴的流量也不變,正是由于此特性使音速噴嘴作為標準件廣泛應用于氣體流量標準裝置中。
     
    音速噴嘴法氣體流量標準裝置(以下簡稱“空氣裝置”) 采用臨界流文丘里噴嘴作為標準表,該檢 定 裝 置 擴 展 不 確 定 度(k=2) 達 到0.25%, 流 量 范 圍 為(2.5~10000)m3/h,
     
    可開展 DN15~DN300口徑的渦街、渦輪、容積式等氣體流量儀表的檢定 / 校準工作。該設備主要由羅茨真空泵提供負壓,
    與傳統采用水環真空泵相比,可節約電能損耗 60%以上。地下循 環通風系統,提高了氣體流場的穩定性(壓力波動在1%以內,溫度波動在 0.1℃以內)。
     
    3. 所用的渦街流量計
    針對本次試驗,特別訂制了 DN25、DN40、DN50、DN80、DN100、DN150共 6 臺渦街 流 量 計。該 渦街 流 量 計 體積 流 量的 準 確 度 等 級 為 1.5 級,其 主要 應 用于 測量和 輸出氣 體、蒸汽和液體的瞬時 體 積流 量。其 流 體 溫 度范圍從 -200℃ ~400℃、可測量和輸出流體的瞬時體積流
    量。該渦街流量計有內置的溫度傳感器,可以測量和輸出溫度信號,有內置豐富的軟件計算功能,可以實現對飽和蒸汽的質量流量的測量??紤]本裝置的試驗條件,具體測量范圍如表 1所示。
     
    三、 不同介質下的對比試驗研究
    1. 試驗方案
    在空氣裝置和蒸汽裝置中以標準安裝條件 對DN25、DN40、DN50、DN80、DN100 和 DN150 渦街流量計各做 2 組試驗進行比對,依次從好小流量到 20%、40%、60%、80%、100% 好 大 流 量,共 計6 個流量點,每個流量點重復檢定 7 次。在空氣裝置中用標準表(噴嘴組合)法做 1 組試驗,計算得到儀表系數、重復性等數據 ;在蒸汽裝置中用稱重法做 1 組試驗,再計算儀表系數、重復性等相關數據,比較兩組數據差異和聯系。
     
    2. 各口徑渦街流量計試驗情況
    (1)DN25 試驗
    儀表系數和流量曲線關系如圖 2 所示。從圖 2中不難發現該渦街流量計在空氣裝置上的儀表系數偏高于在蒸汽裝置上的儀表系數。但在 0.8qmax 時,在空氣裝置上的儀表系數有明顯下降,分析原因認為,DN25 管線是在 DN50 管線基礎上通過變徑實現的,可能在大流量時造成流場不穩或測壓偏低造成標準量偏高。
    DN25 儀表系數流量曲線圖
    (2)DN40 試驗
    儀表系數和流量曲線關系如圖 3 所示。從圖 3 中不難發現,該渦街流量計(剔除個別流量點)在空氣裝置上的儀表系數逐漸減小,而在蒸汽裝置上的儀表系數則逐漸增加。在 0.6qmax 時,兩者儀表系數基本重合。
    DN40 儀表系數 - 流量曲線圖
    (3)DN50 試驗
    儀表系數和流量曲線關系如圖 4 所示。從圖 4 中不難發現,其規律和 DN40渦街 流 量 計 規 律 基 本 一 致,即在 空氣裝置上的儀表系數逐漸減小,而在蒸汽裝置上的儀表系數則逐漸增加,在靠近0.6qmax 時,兩者儀表系數重合??諝庋b置的 DN40 管線和 DN25 管線是在 DN50 管線的基礎上變徑實現的。比較圖 2、圖 3 和圖 4 中空氣裝置上的儀表系數 - 流量曲線圖,可發現,在大流量時,隨著口徑的減小,儀表系數減小的越來越快。
    DN50 儀表系數 - 流量曲線圖
    (4)DN80 試驗
    儀表系數和流量曲線關系如圖 5 所示。從圖 5 中不難發現,該渦街流量計在空氣裝置上的儀表系數逐漸減小,而在蒸汽裝置上的儀表系數 則逐漸 增加。在 0.8qmax 時,兩者儀表系數基本重合。
    DN80 儀表系數 - 流量曲線圖
    (5)DN100 試驗
    儀表系數和流量曲線關系如圖 6 所示。從圖 6 中不難發現,該渦街流量計在空氣裝置上的儀表系數一直大于在蒸汽裝置上的儀表系數,且線性度較好,而在蒸汽裝置上的儀表系數則逐漸增加。
    DN100 儀表系數 - 流量曲線圖
    (6)DN150 試驗
    儀表系數和流量曲線關系如圖 7 所示。從圖 7中可以看出,該渦街流量計在空氣裝置上和蒸汽裝置上的線性度都較差。在空氣裝置上,其儀表系數先增大后減小 ;而在蒸汽裝置上,其儀表系數則先減小后增大。
    DN150 儀表系數 - 流量曲線圖
    四、 試驗結論
    1. 除 DN100 渦街流量計外,其他 5 臺渦街流量計在空氣裝置上的特性基本一致,即在大流量時,儀表系數會有一個較明顯下降。
    2. 各口徑的渦街流量計在蒸汽裝置上的特性基本一致,即儀表系數隨著流量的增大而增大。
    3. 就比較單臺流量計在空氣裝置和蒸汽裝置上的儀表系數而言,六臺渦街流量計的規律基本一致,即渦街流量計在空氣裝置上的儀表系數偏高于在蒸汽裝置上的儀表系數,但因實驗數據量比較小,還無法定量地給出偏差量。
    4. 總結本次試驗,本文得到初步結論 :由于受黏度、溫度等因素的影響,渦街流量計以空氣為介質的儀表系數和以蒸汽為介質的儀表系數存在差異,但差別量較小,具體差別量則需要在后續大量實驗的基礎上總結分析后給出。
    5. 每個口徑的渦街流量計在儀表系數與流量的曲線圖上,以蒸汽和空氣為介質均有一個交匯點。在交匯點,儀表系數相同。這就提供了一種可能 :設計一臺具有交匯點儀表系數的渦街流量計,在保證一定測量誤差的情況下,既可測空氣,又可測蒸汽。

     

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