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涡街流量计在不同介质下的比对
发布时间:2019-04-24

  涡街流量计在实际应用中,使用介质对其测量带来多大的附加误差尚不明确。本文采用试验方法,利用在以空气为介质的音速喷嘴法气体流量标准装置和以蒸汽为介质的蒸汽流量标准装置的比对试验,对在空气和蒸汽介质下涡街流量计的流量特性进行对比研究,得到仪表系数在不同介质下变化曲线和趋势,并对试验结果进行分析解释。
一、卡门涡街的基本原理
  如图1所示,在测量管道中垂直地插入一非流线型阻流体,也称发生体。随着流体流动,当管道雷诺数达到一定值时,在发生体两侧就会交替地分离出卡门涡街。漩涡频率f与流经发生体两侧的平均流速U1之间的关系可表示为:
涡街流量计原理图
  式中:f——漩涡频率,Hz;Sr——斯特劳哈尔数;U1——发生体两侧的平均流速,m/s;d——发生体迎流面的宽度,m。
二、试验装置和仪表
1.蒸汽流量标准装置
  蒸汽冷凝称重法是指蒸汽流过被检表后,通过冷凝器全部冷凝成常温水并由电子秤称量,再根据测量被检表处的压力和温度得到密度,进而得到被检表处的标准体积量。
  冷凝称重法蒸汽流量标准装置(以下简称“蒸汽装置”)是国内唯一采用蒸汽实流标定的蒸汽流量标准装置。该装置以过热蒸汽作为检定介质,对蒸汽流量仪表进行实流标定,检定流量范围为(2.5~10000)kg/h,其准确度等级为0.1级。该装置可以开展DN200以下口径涡街流量计、弯管、V锥流量计、分流旋翼、孔板流量计旋进漩涡流量计等多种蒸汽流量计的检定、校准及相关检测。
2.音速喷嘴法气体流量标准装置
  文丘里喷嘴是个孔径逐渐减小的流道,孔径最小的部分称为喷嘴的喉部,喉部的后面有孔径逐渐扩大的流道。当气体通过喷嘴时,喉部的气体流速将随着节流压力比减小而增大。当节流压力比小到一定值时,喉部流速达到最大流速——音速。此时若再减小节流压力比,流速(流量)将保持音速不变,不再受下游压力的影响,而只与喷嘴入口处的滞止压力和温度有关,此时的喷嘴称为音速喷嘴,流量方程式为

  式中:qm——流过喷嘴的质量流量;A*——音速喷嘴喉部面积;C——流出系数;C*——临界流函数;P0——音速喷嘴入口处滞止绝对压力;T0——音速喷嘴入口处滞止绝对温度;R——通用气体常数;M——气体千摩尔质量。
  从式(2)可以看出,一种喉径的喷嘴只有一个临界流量值,喷嘴入口的滞止压力和滞止温度不变时,通过喷嘴的流量也不变,正是由于此特性使音速喷嘴作为标准件广泛应用于气体流量标准装置中。
  音速喷嘴法气体流量标准装置(以下简称“空气装置”)采用临界流文丘里喷嘴作为标准表,该检定装置扩展不确定度(k=2)达到0.25%,流量范围为(2.5~10000)m3/h,可开展DN15~DN300口径的涡街、涡轮、容积式等气体流量仪表的检定/校准工作。该设备主要由罗茨真空泵提供负压,与传统采用水环真空泵相比,可节约电能损耗60%以上。地下循环通风系统,提高了气体流场的稳定性(压力波动在1%以内,温度波动在0.1℃以内)。
3.所用的涡街流量计
  针对本次试验,特别订制了DN25、DN40、DN50、DN80、DN100、DN150共6台涡街流量计。该涡街流量计体积流量的准确度等级为1.5级,其主要应用于测量和输出气体、蒸汽和液体的瞬时体积流量。其流体温度范围从-200℃~400℃、可测量和输出流体的瞬时体积流量。该涡街流量计有内置的温度传感器,可以测量和输出温度信号,有内置丰富的软件计算功能,可以实现对饱和蒸汽的质量流量的测量。
考虑本装置的试验条件,具体测量范围如表1所示。
三、不同介质下的对比试验研究
1.试验方案
  在空气装置和蒸汽装置中以标准安装条件对DN25、DN40、DN50、DN80、DN100和DN150涡街流量计各做2组试验进行比对,依次从最小流量到20%、40%、60%、80%、100%最大流量,共计6个流量点,每个流量点重复检定7次。在空气装置中用标准表(喷嘴组合)法做1组试验,计算得到仪表系数、重复性等数据;在蒸汽装置中用称重法做1组试验,再计算仪表系数、重复性等相关数据,比较两组数据差异和联系。
2.各口径涡街流量计试验情况
(1)DN25试验
  仪表系数和流量曲线关系如图2所示。从图2中不难发现该涡街流量计在空气装置上的仪表系数偏高于在蒸汽装置上的仪表系数。但在0.8qmax时,在空气装置上的仪表系数有明显下降,分析原因认为,DN25管线是在DN50管线基础上通过变径实现的,可能在大流量时造成流场不稳或测压偏低造成标准量偏高。

DN25涡街流量计系数-流量曲线图
DN40涡街流量计系数-流量曲线图
DN50涡街流量计系数-流量曲线图
DN80涡街流量计系数-流量曲线图
DN100涡街流量计系数-流量曲线图
DN150涡街流量计系数-流量曲线图
(2)DN40试验
  仪表系数和流量曲线关系如图3所示。从图3中不难发现,该涡街流量计(剔除个别流量点)在空气装置上的仪表系数逐渐减小,而在蒸汽装置上的仪表系数则逐渐增加。在0.6qmax时,两者仪表系数基本重合。
(3)DN50试验
  仪表系数和流量曲线关系如图4所示。从图4中不难发现,其规律和DN40涡街流量计规律基本一致,即在空气装置上的仪表系数逐渐减小,而在蒸汽装置上的仪表系数则逐渐增加,在靠近0.6qmax时,两者仪表系数重合。
  空气装置的DN40管线和DN25管线是在DN50管线的基础上变径实现的。比较图2、图3和图4中空气装置上的仪表系数-流量曲线图,可发现,在大流量时,随着口径的减小,仪表系数减小的越来越快。
(4)DN80试验
  仪表系数和流量曲线关系如图5所示。从图5中不难发现,该涡街流量计在空气装置上的仪表系数逐渐减小,而在蒸汽装置上的仪表系数则逐渐增加。在0.8qmax时,两者仪表系数基本重合。
(5)DN100试验
  仪表系数和流量曲线关系如图6所示。从图6中不难发现,该涡街流量计在空气装置上的仪表系数一直大于在蒸汽装置上的仪表系数,且线性度较好,而在蒸汽装置上的仪表系数则逐渐增加。
(6)DN150试验
  仪表系数和流量曲线关系如图7所示。从图7中可以看出,该涡街流量计在空气装置上和蒸汽装置上的线性度都较差。在空气装置上,其仪表系数先增大后减小;而在蒸汽装置上,其仪表系数则先减小后增大。
四、试验结论
1.除DN100涡街流量计外,其他5台涡街流量计在空气装置上的特性基本一致,即在大流量时,仪表系数会有一个较明显下降。
2.各口径的涡街流量计在蒸汽装置上的特性基本一致,即仪表系数随着流量的增大而增大。
3.就比较单台流量计在空气装置和蒸汽装置上的仪表系数而言,六台涡街流量计的规律基本一致,即涡街流量计在空气装置上的仪表系数偏高于在蒸汽装置上的仪表系数,但因实验数据量比较小,还无法定量地给出偏差量。
4.总结本次试验,本文得到初步结论:由于受黏度、温度等因素的影响,涡街流量计以空气为介质的仪表系数和以蒸汽为介质的仪表系数存在差异,但差别量较小,具体差别量则需要在后续大量实验的基础上总结分析后给出。
5.每个口径的涡街流量计在仪表系数与流量的曲线图上,以蒸汽和空气为介质均有一个交汇点。在交汇点,仪表系数相同。这就提供了一种可能:设计一台具有交汇点仪表系数的涡街流量计,在保证一定测量误差的情况下,既可测空气,又可测蒸汽。

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