蒸汽流量計量中關(guān)于空氣流量計的特性分析研究
點擊次數(shù):2049 發(fā)布時間:2021-01-08 05:35:49
空氣流量計在測量液體和氣體方面都有很好的應(yīng)用,針對于空氣流量計在蒸汽流體上的測量,近年來得到了很廣泛的推廣,許多儀表生產(chǎn)企業(yè)也在積*地攻關(guān)與研發(fā)。對于蒸汽了測量一直是比較棘手的,為了強化對于蒸汽的計量能力,在20世紀(jì)60年代,日本橫河電機株式會社與美國Eastech公司合作,共同研發(fā)了一種空氣流量計,它的耐高溫性能好,壓損不大,這種流量計廣泛應(yīng)用于高溫條件下蒸汽流量的計量過程。因為流體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;結(jié)構(gòu)相對簡單,安裝維護難度小,維護成本低?;谝陨蟽?yōu)點,該頻率信號被普遍使用在計量與工業(yè)過程的控制過程中。
到了二十世紀(jì)80年代,因為工業(yè)生產(chǎn)的推動,空氣流量計得以廣泛采用,但缺點是對于蒸汽介質(zhì)上的測試仍是空白,只可進行空氣流量計的構(gòu)造方式、DSP、流量量程、管道材質(zhì)等方面加以升級,增強了空氣流量計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。空氣流量計雖然技術(shù)上有了改進,但有待進一步改良,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)人士對于空氣流量計實施了多次探索,研究成果值得肯定。
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)以及空氣流量計旋渦的產(chǎn)生機理,分析不同介質(zhì)對空氣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。但對空氣流量計的儀表系數(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空氣流量計測量蒸汽流量的計量準(zhǔn)確度。
1 蒸汽介質(zhì)的影響因素
所謂空氣流量計(亦稱旋渦流量計),其工作機理是“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。以上空氣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 ;
S r 為斯特勞哈爾數(shù);
U 1 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 r 不變,由連續(xù)性方程可得到: m = U / U 1 。
式中:K 為空氣流量計的儀表系數(shù),1 /m 3 。通過式(3)不難看出,儀表系數(shù) K 是空氣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),蒸汽對空氣流量計計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,機械結(jié)構(gòu)尺寸 D 、m 、 d 以及斯特勞哈爾數(shù) S r 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) S r 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) S r 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。以上三個因素對于空氣流量計的影響將在下一節(jié)進一步探討。
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?。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 R eD =2×10 4 7×10 6 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, S r 即便在 R eD =2×10 4 7×10 6 區(qū)間內(nèi),也與 R eD 的改變發(fā)生變化,參照1989年日本制訂的空氣流量計工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JISZ8766《空氣流量計——流量測量方法》。2002年加以修訂,把空氣流量計發(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 S r 值存在較小區(qū)別,詳見表1數(shù)據(jù)。
標(biāo)準(zhǔn)2型 S r 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空氣流量計普遍采用。
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,它們的運動粘度詳見表2:
式中:
表征介質(zhì)密度;
D 表征管徑;
u 表征流速;
表征介質(zhì)動力粘度;
v 表征介質(zhì)運動粘度。
通過以上各參數(shù)數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn),水的運動粘度*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) S r 的較大差異,造成誤差。
通過表3不難發(fā)現(xiàn),要得出空氣流量計基于*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**的范德瓦爾斯特氣體狀態(tài)方程。進一步研究發(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;
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相關(guān)性,也就是密度的概念。把此理論使用在空氣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)于氧氣與氮氣的4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。用空氣流量計進行測量時,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。而氣體的可壓縮性與等嫡指數(shù)是其內(nèi)在機理,這和我們的理論研究結(jié)果相互印證。
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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)以及空氣流量計旋渦的產(chǎn)生機理,分析不同介質(zhì)對空氣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。但對空氣流量計的儀表系數(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空氣流量計測量蒸汽流量的計量準(zhǔn)確度。
1 蒸汽介質(zhì)的影響因素
所謂空氣流量計(亦稱旋渦流量計),其工作機理是“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。以上空氣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 ;
S r 為斯特勞哈爾數(shù);
U 1 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 r 不變,由連續(xù)性方程可得到: m = U / U 1 。
式中:K 為空氣流量計的儀表系數(shù),1 /m 3 。通過式(3)不難看出,儀表系數(shù) K 是空氣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),蒸汽對空氣流量計計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,機械結(jié)構(gòu)尺寸 D 、m 、 d 以及斯特勞哈爾數(shù) S r 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) S r 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) S r 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。以上三個因素對于空氣流量計的影響將在下一節(jié)進一步探討。
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?。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 R eD =2×10 4 7×10 6 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, S r 即便在 R eD =2×10 4 7×10 6 區(qū)間內(nèi),也與 R eD 的改變發(fā)生變化,參照1989年日本制訂的空氣流量計工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JISZ8766《空氣流量計——流量測量方法》。2002年加以修訂,把空氣流量計發(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 S r 值存在較小區(qū)別,詳見表1數(shù)據(jù)。
標(biāo)準(zhǔn)2型 S r 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空氣流量計普遍采用。
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,它們的運動粘度詳見表2:
式中:
表征介質(zhì)密度;
D 表征管徑;
u 表征流速;
表征介質(zhì)動力粘度;
v 表征介質(zhì)運動粘度。
通過以上各參數(shù)數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn),水的運動粘度*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) S r 的較大差異,造成誤差。
通過表3不難發(fā)現(xiàn),要得出空氣流量計基于*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**的范德瓦爾斯特氣體狀態(tài)方程。進一步研究發(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;
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相關(guān)性,也就是密度的概念。把此理論使用在空氣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)于氧氣與氮氣的4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。用空氣流量計進行測量時,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。而氣體的可壓縮性與等嫡指數(shù)是其內(nèi)在機理,這和我們的理論研究結(jié)果相互印證。
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