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不同介質的儀表系數對蒸汽渦街流量計檢定誤差

摘要：流量計檢定工作是在實驗室標準裝置下完成的，對渦街流量計來說，出廠檢定不但對于確定儀表性能參數是必不可少的，對于發現整體安裝乃至零部件制造質量問題也是至關重要的。對渦街流量計測量特性做了簡要的介紹，采用現場實驗的方法，通過在蘭州石化公司水、氣兩套標準裝置上檢定數據的對比，試著分析探討在一定雷諾數范圍內，檢定介質是否會對渦街流量計的儀表系數產生影響。
1、渦街流量計原理
在流動的流體中插入一個斷面為非流線型的柱狀物體時，從柱狀物體兩側會產生兩列交替產生的旋渦。這個現象被稱為“卡門渦街”現象。漩渦列在漩渦發生體下游非對稱地排列。研究表明旋渦分離的頻率與介質流速成正比，與柱體的寬度成反比。根據卡門渦街原理，有如下關系式：
f=SrV/d   (1)
式中：漩渦的發生頻率為f，被測介質流動的平均速度為V，漩渦發生體迎面寬度為d，管道內徑為D，Sr為斯特勞哈爾數。根據卡門渦街原理，有如下關系式：
由上面的式子可見，在管徑和柱體寬度已知的情況下，只要測量旋渦頻率便可測出流體流速和瞬時流量。
所以：K=f/qv=［4Sr/πD²d］   (3)
式中：K---流量計的儀表系數，脈沖數/m³(P/m³)。
K除了與漩渦發生體、管道的幾何尺寸有關外，還與斯特勞哈爾數有關。圖1所示為漩渦發生體的斯特勞哈爾數與管道雷諾數的關系。
斯特勞哈爾數(Sr)是通過試驗確定的無因次數。圖1中表示出了斯特勞哈爾數(Sr)和雷諾數(Re)的關系，曲線的平直部分對應渦街流量計正常測量的范圍。只要檢測出頻率f就可以求得管內的流速。
由以上的分析可以看出在一定的雷諾數范圍內，渦街流量計輸出頻率信號同流過測量管的體積流量之間的關系不受流體物性(密度、黏度)和組分的影響，即流量系數只與旋渦發生體及管道的形狀尺寸有關，與檢定介質無關。因此，只要在一種典型介質中標定其流量系數，就可以適應于各種介質。但是超過這一范圍，就可能要產生影響了。為了解決本為前言中提出的疑問，我們進行了實際檢定，驗證該結果在實際工作中可以參考。
2、試驗準備
本次測試采用的兩套標準裝置具有較高的不確定度和穩定度，并且通過甘肅省質量技術監督局的考核認證，可以作為計量標準向下傳遞。
裝置1：0.5級負壓法音速噴嘴氣體流量標準裝置---氣標。
裝置2：0.05級質量法水流量標準裝置---水標。
被檢對象：選用一臺脈沖輸出、準確度等級1.0級、儀表線性和重復性較好的北京菲薄DN150渦街流量計作為被測流量計。
3、實驗數據
4、實驗數據分析
1)*先，檢定時盡量選擇流量點對應的雷諾數在2×10^4～7.2×10^6范圍內，確保流量計的測量結果的準確性，且在兩套裝置上流量點的雷諾數盡量相近，從而可以驗證公式(3)是否在實際應用中可以成立，即渦街流量計在檢定范圍內，儀表系數是否和檢定介質無關。
2)表1、2分別是流量計在液體流量標準裝置、氣體流量標準裝置上通過實際檢定得到的檢定數據，兩套裝置各自檢定結果的儀表線性、重復性均合格。但從兩個裝置檢測數據比對分析看來，在合適雷諾數范圍內，同樣一臺檢定合格的渦街流量計，在不同介質的標準裝置上檢定數據相差還是很明顯的，儀表系數相差2.5%左右，而且k系數曲線趨勢也并不相同，如圖2所示。
3)從結果看來，至少在這兩套標準裝置上，在蘭州石化所使用流量計的檢定中，不同檢定介質會對標定出來的儀表系數有較大影響。用水標定的智能渦街流量計，用來測量空氣或者蒸汽，需要重新用空氣再進行一次標定，調整系數。
5、實驗不足
通過在本單位兩套標準裝置上的實際檢定，可以看到蒸汽渦街流量計的儀表系數的確在不同介質的檢定裝置上有一定誤差。但是，實驗中也仍然存在很多不足：兩套裝置一個是正壓檢定、一個是負壓檢定，而且前后直管段的長度也不同等這些因素也可能是引起儀表系數誤差的原因。如何能更好、更科學地驗證渦街流量計儀表系數不受標定介質的影響，仍需要進一步的工作。