涡街流量计在水和空气介质下的仪表系数对比

涡街流量计在水和空气介质下的仪表系数对比

李靖

1.陕西省计量科学研究院, 陕西省 西安市 710100

摘要：本文对涡街流量计在水和空气介质下进行了实流标定实验，得到不同介质下的标定仪表系数。结果表明：两种介质下的涡街流量计标定仪表系数不同，结合涡街流量计原理分析，猜测介质压缩性是造成两者不同的原因，因此涡街流量计在不同介质下不可通用标定。

关键词：涡街流量计；仪表系数；介质可压缩性

中图分类号：TB937文献标识码：A

0  引言

涡街流量计由于其结构简单无可动部件、耐高温、压损小等特点，被广泛应用于气体、液体以及蒸汽等介质的流量计量。在实际使用中，不同介质对涡街流量计计量的影响尚无明确结论。姜仲霞等[1]认为在一定雷诺数范围内，涡街流量计旋涡分离频率对被测流体压力、温度、粘度和组分变化不敏感，涡街流量计仪表系数可在不同介质下通用标定，但这种表述是基于涡街流量计原理公式的理论分析，目前并无实验数据支撑。

本文采用实验方法，对涡街流量计在水和空气介质下进行实流标定实验，得到两种介质下的标定仪表系数，对比分析其变化曲线，得出不同介质对涡街流量计的计量特性的影响。

1  涡街流量计基本原理 

涡街流量计的基本原理是“卡门涡街”原理，即在测量管道中垂直插入一段非流线型阻流体，当管道内流体流动且管道内雷诺数达到一定值时，在阻流体下游两侧会交替脱落规则排列的旋涡，称为卡门涡街。涡街流量计旋涡分离频率由旋涡发生体和管道几何尺寸以及管道中流体流速决定， 频率计算公式为[1]：

                      (1)

式中：f ——旋涡分离频率，Hz；

 Sr——斯特劳哈尔数；

 U1——发生体两侧流体平均流速，m/s；

U——管道来流平均流速，m/s；

m——发生体两侧弓形流通面积与管道横截面积之比。

在流体介质不可压缩的假设下，流体在整个流动过程中密度保持不变，根据流体连续性定理[2]可得：

              (2)

(3)

式中：ρ ——流体密度，kg/m3；

  A1——发生体两侧弓形区域面积，m2；
A——管道横截面积，m2。

管道内瞬时体积流量为：

                  (4)

定义涡街流量计仪表系数为：

                  (5)

式中：qv ——体积流量，m3/h；

  K——仪表系数，1/ m3；

由以上分析可知涡街流量计仪表系数可代表涡街流量计的计量特性，因此本文选择仪表系数作为两种介质间涡街流量计对比参数。

由公式（5）可以看出，涡街流量计仪表系数仅与涡街流量计发生体和管道几何尺寸、斯特劳哈尔数有关，与被测流体的特性和组分无关[1]。这就是涡街流量计在不同介质下通用标定的理论依据。值得注意的是，上述理论分析是基于流体介质不可压缩的假设，考虑到介质的可压缩性，结果可能会不同，下面通过实验进行验证。

2  实验装置及方案

2.1  空气流量计量标准装置

本文采用负压法临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置对涡街流量计在空气介质下进行标定实验。装置扩展不确定度为0.32%（k=2），测量范围为（1~7000）m3/h。常温空气经过检定管线流过被测涡街流量计，然后经稳压容器流经文丘里喷嘴，在喷嘴喉部得到标准流量，完成对被测涡街流量计的空气实流标定。

2.2  液体流量计量标准装置

采用静态质量法水流量标准装置对涡街流量计在水介质下进行标定实验。装置扩展不确定度为0.05%（k=2），测量范围为（0.2~680）m3/h。恒温水池中的常温水经过检定管线流过被测涡街流量计，随后进入称重容器进行称重，完成对被测涡街流量计的水介质实流标定。

2.3  实验用表

本研究选用上海横河电机有限公司生产的DY系列涡街流量计两台，口径分别为DN50和DN100，精度等级为1.5级。

2.4  实验流量点及测试方案

本文测试流量点的确定依据雷诺数相似准则，以保证实验的力学相似。以DN50口径为例，测试流量点设置见表1，DN100口径类似。

表1实验流量点确定

对四台实验用涡街流量计依据JJG 1029-2007《涡街流量计》规定的检定要求进行实验。按照上述设定的8个测试流量点进行实验。每个流量点的实际实验流量与设定流量的偏差不超过设定流量的 ±5%，每个流量点测试3次，测试时间为60秒，记录该流量点下的介质温度、压力，得到标定仪表系数。为了保证实验数据的可靠性，将涡街流量计重新装夹，重复以上实验流程3次。

3  实验结果分析

按照上述实验方案对两台涡街流量计在水、空气介质下进行仪表系数实流标定实验，实验结果如图1~ 2所示。

可以看出，横河涡街流量计在空气和水介质下的标定仪表系数不同。在低雷诺数下两种介质下的仪表标定系数较为接近，随着雷诺数的增大，水介质下的仪表系数基本保持稳定，而空气介质下的仪表系数呈增大趋势，两种介质下的标定仪表系数偏差增大。分析为空气介质为可压缩流体，不满足公式（5）推导的假设——流体介质不可压缩，从而导致两种介质下实际标定仪表系数的差异。

图1  DN50涡街流量计实验结果

图2  DN100涡街流量计实验结果

4  结论

本文对涡街流量计在空气和水介质下的标定仪表系数进行了实验研究，结果表明，两种介质下的标定仪表系数存在偏差且随测试流量的增大而增大，这种偏差不是简单的线性关系，分析推导其原因为介质的可压缩性，由流体力学可知，可压缩介质在流动过程中密度会发射改变，导致涡街流量计旋涡发生体附近的介质压力不同，从而影响旋涡的脱落分离，进而影响涡街流量计的仪表系数。

参考文献：

[1]姜仲霞,姜川涛,刘桂芳.涡街流量计[M].北京：中国石化出版社，2005.

[2]景思睿,张鸣远.流体力学[M].西安：西安交通大学出版社，2001.