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不同蒸汽介質(zhì)對渦街流量計(jì)的計(jì)量特性的影響

摘要:蒸汽流量量值體系的溯源是保證蒸汽流量測量準(zhǔn)確的關(guān)鍵。本文基于流體力學(xué)、熱力學(xué)以及渦街流量計(jì)旋渦的產(chǎn)生機(jī)理,分析不同介質(zhì)對渦街流量計(jì)的計(jì)量特性的影響,介質(zhì)粘度的不同導(dǎo)致了三種介質(zhì)測試下雷諾數(shù)的不同,影響到斯特勞哈數(shù)差異。但對渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)影響不大,可忽略其影響。介質(zhì)粘度的不同會導(dǎo)致流量范圍的不同。該分析將有利于提高渦街流量計(jì)測量蒸汽流量的計(jì)量準(zhǔn)確度。
為持續(xù)強(qiáng)化蒸汽計(jì)量能力,在20世紀(jì)60年代,日本橫河電機(jī)株式會社與美國Eastech公司合作,共同研發(fā)了一種渦街流量計(jì),它的耐高溫性能好,壓損不大,這種流量計(jì)廣泛應(yīng)用于高溫條件下蒸汽流量的計(jì)量過程。因?yàn)榱黧w流量和其輸出的頻率信號存在正相關(guān)性,同時頻率信號在流體組分、密度、壓力、溫度改變情況下仍能保持一定穩(wěn)定性;另外,此儀器的量程較大;均為不可動部件,穩(wěn)定性大大增強(qiáng);結(jié)構(gòu)相對簡單,安裝維護(hù)難度小,維護(hù)成本低?;谝陨蟽?yōu)點(diǎn),該頻率信號被普遍使用在計(jì)量與工業(yè)過程的控制過程中。
到上世紀(jì)80年代,該流量計(jì)得以廣泛采用,但缺點(diǎn)是對于蒸汽介質(zhì)上的測試仍是空白,只可進(jìn)行渦街流量計(jì)的構(gòu)造方式、DSP、流量量程、管道材質(zhì)等方面加以升級,增強(qiáng)了渦街流量計(jì)的在液體與空氣中的測量準(zhǔn)度。由于在蒸汽介質(zhì)方面的探索上存在盲區(qū),在流量精度測量上長期以來備受業(yè)內(nèi)人士的質(zhì)疑。渦街流量計(jì)雖然技術(shù)上有了改進(jìn),但有待進(jìn)一步改良,不管是在理論還是應(yīng)用層面上均有諸多工作要做。近些年,**范圍內(nèi)的業(yè)內(nèi)人士對于渦街流量計(jì)實(shí)施了多次探索,研究成果值得肯定。
1、蒸汽介質(zhì)的影響因素
所謂渦街流量計(jì)(亦稱旋渦流量計(jì)),其工作機(jī)理是“卡門渦街”,是一類流體振蕩式的測量儀器。“卡門渦街”的原理是:待測管道流體中放進(jìn)一根(或數(shù)根)非流線型截面的旋渦發(fā)生體,等到雷諾數(shù)到達(dá)特定數(shù)值,在旋渦發(fā)生體兩側(cè)分離出兩串交錯有序的旋渦,此過程具有交替性,我們將這種旋渦叫作卡門渦街。在特定雷諾數(shù)范圍之間,旋渦的分離頻率同旋渦發(fā)生體與管道的幾何尺寸息息相關(guān)。數(shù)據(jù)表明,旋渦的分離頻率同流量存在正相關(guān)性,此頻率可通過傳感器獲得。以上渦街流量計(jì)與卡門渦街的關(guān)系可從圖1看出,二者有如下邏輯關(guān)系:
式中:
f為旋渦分離頻率,Hz;
Sr為斯特勞哈爾數(shù);
U1為旋渦發(fā)生體兩側(cè)的平均流速,m/s;
d為旋渦發(fā)生體迎流面的寬度,m;
U為被測介質(zhì)來流的平均流速,m/s;
m為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比。不可壓縮流體中,由于流體密度不變,由連續(xù)性方程可得到:m=U/U1。
式中:K為渦街流量計(jì)的儀表系數(shù),1/m³。通過式(3)不難看出,儀表系數(shù)K是渦街流量計(jì)的計(jì)量特性的定量表征,數(shù)據(jù)表明,其儀表系數(shù)只和其機(jī)械結(jié)構(gòu)與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān),同來流流量并無相關(guān)性。
研究發(fā)現(xiàn),蒸汽對渦街流量計(jì)計(jì)量特性存在較大影響??煽偨Y(jié)為三個方面:
*一,從公式(3)中能夠得出,機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸D、m、d以及斯特勞哈爾數(shù)Sr這些參數(shù)與K值大小存在較大關(guān)聯(lián)性?;谖锢碓硌芯堪l(fā)現(xiàn),在流體介質(zhì)條件存在差異情況下,機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸的改變一般是與溫度的改變引發(fā)的熱脹冷縮效應(yīng)息息相關(guān)。
*二,雷諾數(shù)對斯特勞哈爾數(shù)Sr產(chǎn)生較大影響,前者又與粘度密切相關(guān),而粘度的差異性又取決于流體的差異,既而引發(fā)斯特勞哈爾數(shù)Sr的區(qū)別。
*三,公式(3)的推導(dǎo)過程是以不可壓縮流體為前提的,當(dāng)換作氣體介質(zhì)時,由于可壓縮性的區(qū)別或許會引發(fā)儀表系數(shù)產(chǎn)生誤差。以上三個因素對于渦街流量計(jì)的影響將在下一節(jié)進(jìn)一步探討。
2、蒸汽介質(zhì)斯特勞哈爾數(shù)的影響
嚴(yán)格而言,斯特勞哈爾數(shù)是一種相似準(zhǔn)則,是在討論流體力學(xué)中物理相似和?;且氲母拍睢F涫怯脕肀碚餍郎u頻率和阻流體特征尺寸、流速關(guān)系的。在特定雷諾數(shù)區(qū)間中,旋渦的分離頻率和旋渦發(fā)生體與管道的幾何尺寸密切相關(guān),換言之斯特勞哈數(shù)可視為定量。
由圖2可看出,在ReD=2×1047&×106區(qū)間內(nèi),斯特勞哈數(shù)是定值,此也是儀表的正常工作區(qū)間。
現(xiàn)實(shí)情形下,Sr即便在ReD=2×1047&×106區(qū)間內(nèi),也與ReD的改變發(fā)生變化,參照1989年日本制訂的渦街流量計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JISZ8766《渦街流量計(jì)--流量測量方法》。2002年加以修訂,把渦街流量計(jì)發(fā)生體的固定形式歸為兩種,《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的旋渦設(shè)計(jì),發(fā)生體依據(jù)插入測量管頂端固定與否區(qū)別為標(biāo)準(zhǔn)1型與標(biāo)準(zhǔn)2型,它們的Sr值存在較小區(qū)別,詳見表1數(shù)據(jù)。
標(biāo)準(zhǔn)2型Sr的平均值是0.25033,它的標(biāo)準(zhǔn)偏差是0.12%;而標(biāo)準(zhǔn)1型為0.3%,現(xiàn)階段我國一般廣泛采用標(biāo)準(zhǔn)1型。而標(biāo)準(zhǔn)2型在日本橫河儀表研制的渦街流量計(jì)普遍采用。
通過雷諾數(shù)的推導(dǎo)公式不難得出,檢測時,蒸汽和空氣因?yàn)檎扯鹊膮^(qū)別,會引發(fā)雷諾數(shù)存在差異。參照一般實(shí)驗(yàn)情況下三類流體介質(zhì)的工況差異,它們的運(yùn)動粘度詳見表2:
式中:
r表征介質(zhì)密度;
D表征管徑;
u表征流速;
h表征介質(zhì)動力粘度;
v表征介質(zhì)運(yùn)動粘度。
通過以上各參數(shù)數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn),水的運(yùn)動粘度*低,空氣*高,蒸汽介于二者之間。三者比例是1:15:4。所以若使雷諾數(shù)一致,應(yīng)使水的流速*小,空氣*大,蒸汽在區(qū)間取值。在對儀表的系數(shù)進(jìn)行檢定過程中,通常應(yīng)考慮雷諾數(shù)一致時,真實(shí)測量過程中的差異性誤差。尤其在蒸汽的測量時,儀表量程的選型是參照在空氣介質(zhì)下測量獲得的體積流量區(qū)間與蒸汽的密度乘積,推導(dǎo)出蒸汽的體積流量區(qū)間。這種算法會引發(fā)差異性介質(zhì)下雷諾數(shù)的區(qū)間差異。細(xì)致分析上表可得出,只要雷諾數(shù)在既定范圍內(nèi),檢定過程中并不會由于介質(zhì)的不同造成較大的誤差,這個影響可不考慮。但雷諾數(shù)不可超出規(guī)定區(qū)間,否則會引發(fā)Sr的較大差異,造成誤差。
通過表3不難發(fā)現(xiàn),要得出渦街流量計(jì)基于*低流量的限雷諾數(shù),口徑一致情況下三類介質(zhì)的*小流速應(yīng)滿足1.0:4.0:15.0的大致比例。所以不可以將空氣介質(zhì)下的體積流量區(qū)間等同于蒸汽介質(zhì)下的數(shù)值。
3、蒸汽介質(zhì)物理特性影響分析
1873年,荷蘭**物理學(xué)家范德瓦爾斯特實(shí)驗(yàn)室中,發(fā)現(xiàn)了水蒸氣的物理性質(zhì),得出氣體分子間有著一定作用力,繼而推導(dǎo)出氣體的狀態(tài)方程以輔助理論驗(yàn)證,這就是**的范德瓦爾斯特氣體狀態(tài)方程。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),水蒸汽的分子的體積和相互的作用力比較大,無法以理想的氣體狀態(tài)方程加以表征。參照范德瓦爾斯特公式(5)的計(jì)算過程:
式中:
p為壓強(qiáng);
V為1摩爾氣體的體積;
R為普適氣體常數(shù);
a為度量分子間引力的參數(shù);
b為1摩爾分子本身包含的體積之和。
以上公式(5)中因子a和b的值因氣體的性質(zhì)不同而存在差異,一般地,氣體的分子間引力參數(shù)a與b分子體積表述如表3所示。
范德瓦爾斯特提出,氣體分子間的吸引力與間距存在負(fù)相關(guān)性,也就是密度的概念。把此理論使用在渦街流量計(jì)的測量過程中,通過表中的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn),水蒸汽分子間的吸引力a的數(shù)值較大,相當(dāng)于氧氣與氮?dú)獾?倍多。所以,在測量實(shí)際氣體時,基于同等壓力條件,水的分子間的吸引力的數(shù)值較蒸汽與空氣大得多,而蒸汽又顯著大于空氣。用渦街流量計(jì)進(jìn)行測量時,發(fā)生體兩側(cè)的位置因?yàn)榱魉偌哟?,引起靜壓力減小,體積擴(kuò)張,流體密度隨之減小,而水介質(zhì)由于分子間作用力大,并無明顯膨脹情況。蒸汽的分子間的吸引力比空氣大,所以前者膨脹性更低,密度變化也更小。參考流量的連續(xù)性方程得出,因?yàn)榭諝饷芏茸兓?,所以它的發(fā)生體兩側(cè)的流量變化較蒸汽介質(zhì)更大,所以它的儀表系數(shù)比蒸汽介質(zhì)變化更顯著。而氣體的可壓縮性與等嫡指數(shù)是其內(nèi)在機(jī)理,這和我們的理論研究結(jié)果相互印證。

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