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渦街流量計在蒸汽計量中的特性 
發(fā)布時間:2018-08-13

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;诹黧w力學(xué)、熱力學(xué)以及渦街流量計旋渦的產(chǎn)生機(jī)理,分析不同介質(zhì)對渦街流量計的計量特性的影響,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測量蒸汽流量的計量精度。
1 蒸汽介質(zhì)的影響因素
  所謂渦街流量計(亦稱旋渦流量計),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[3]。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 。
渦街流量計工作原理圖
式中:
K為渦街流量計的儀表系數(shù),1 /m3。
  通過式(3)不難看出,儀表系數(shù)K是渦街流量計的計量特性的定量表征,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。
蒸汽對渦街流量計計量特性存在較大影響?煽偨Y(jié)為三個方面:
第一,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。基于物理原理研究發(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)。
第二,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。
第三,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氲母拍頪4]。其是用來表征旋渦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Re D=2×104 7×106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)實情形下,Sr即便在Re D=2×104 7×106區(qū)間內(nèi),也與Re D的改變發(fā)生變化,參照1989年日本制訂的渦街流量計工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JISZ8766《渦街流量計——流量測量方法》。2002年加以修訂,把渦街流量計發(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,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,蒸汽和空氣因為粘度的區(qū)別,會引發(fā)雷諾數(shù)存在差異。參照一般實驗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:
ρ表征介質(zhì)密度;
D 表征管徑;
u 表征流速;η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)動粘度最低,空氣最高,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)使水的流速最小,空氣最大,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),要得出渦街流量計基于最低流量的限雷諾數(shù),口徑一致情況下三類介質(zhì)的最小流速應(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
  物理學(xué)家范德瓦爾斯特實驗室中,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)方程以輔助理論驗證,這就是著名的范德瓦爾斯特氣體狀態(tài)方程[5]。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。

  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。用渦街流量計進(jìn)行測量時,發(fā)生體兩側(cè)的位置因為流速加大,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,因為空氣密度變化更大,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。

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