利用不同介質(zhì)進行渦街流量計計量檢定的可行性分析

王可嘉

（無錫市檢驗檢測認證研究院，江蘇 無錫 214000）

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(guān)。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(guān)，因此雷諾數(shù)與渦街流量計有著精密的關(guān)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(dāng)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(yīng)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(yīng)用中，在漩渦發(fā)生體形狀固定時，雷諾數(shù)Re在2×104~7×106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)。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(biāo)定，繪制成曲線，并對實驗結(jié)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入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(cè)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(guān)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；f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(guān)。而查閱相關(guān)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(guān)關(guān)系圖如1所示。

由圖1可知，當(dāng)雷諾數(shù)在2×104~7×106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(guān)，因此，利用不同介質(zhì)對渦街流量計的K系數(shù)進行標(biāo)定時具有理論基礎(chǔ)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(dāng)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。

本文研究目的，是將雷諾數(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一渦街流量計進行計量檢定得出的誤差結(jié)果是否可信。

2 實驗

本次實驗采用由江蘇省計量科學(xué)研究院考核通過的2套社會公用計量標(biāo)準(zhǔn)對同一渦街流量計進行檢測。

裝置1：靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（0.1級）；

裝置2：音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（Urel=0.33%，k=2）

被檢表：線性和重復(fù)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(biāo)準(zhǔn)流量范圍為4～40 m3/h；氣體渦街流量計標(biāo)準(zhǔn)流量范圍為30～300 m3/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(biāo)準(zhǔn)流量范圍為0.57～5.66 m/s；氣體渦街流量計標(biāo)準(zhǔn)流量范圍為4.24～42.44 m/s。

由于本次實驗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998.232 kg/m3；動力黏度為1.005 0×10-3Pa·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1.411×104～1.412×105。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)JJG 1029—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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(biāo)定的誤差僅相差0.5%左右，不會引起明顯誤差。

表1 雷諾數(shù)精度區(qū)間內(nèi)水氣檢測結(jié)果對比

4 結(jié)語

通過本次實驗，在相應(yīng)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(biāo)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)裝置和靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shè)備的準(zhǔn)確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。