蒸汽流（liú）量計量中關於空氣流量計的特性（xìng）分析研究
點擊次數：2259 發布時間：2021-01-08 05:35:49
空氣流量計在測量液體和氣體方麵都有很好的應用，針對於空氣（qì）流量（liàng）計在蒸汽（qì）流體（tǐ）上的測量，近年來得到了很廣泛的推廣，許多儀表生產企業也在積*地攻（gōng）關與研發。對於蒸汽了測量一直是比較棘手的，為了（le）強化對於蒸（zhēng）汽的計量能力，在20世紀60年代，日本橫河電機株式會社與美國Eastech公司合作，共同（tóng）研發（fā）了一種空氣流量計，它的（de）耐高溫性能好，壓損不大，這（zhè）種（zhǒng）流量計廣泛應用於高溫條（tiáo）件下蒸汽流量的計（jì）量過程。因為流體流量和其輸出的頻率信號存在正（zhèng）相關性，同時頻率信號在流（liú）體組分、密度、壓力、溫度（dù）改變情況下仍能保持一定（dìng）穩定性；另外，此儀器的量程（chéng）較大；均為不可動部件，穩定性大（dà）大增強；結構相對簡單，安裝維（wéi）護難度小，維護成本低。基於以上（shàng）優點（diǎn），該（gāi）頻率信號被普遍使用在計量與工業（yè）過程的控製過程中。
到了二十（shí）世紀80年代，因為工業生產的推動，空氣流量計得以廣泛采用，但缺點是（shì）對於蒸汽介質上的測試仍是空白，隻（zhī）可（kě）進行空氣流量計（jì）的構造方式、DSP、流量量程（chéng）、管道材質等方麵加以升級，增強了空氣流（liú）量計的在液體與空氣中的（de）測量準度。由（yóu）於在蒸（zhēng）汽介質（zhì）方麵（miàn）的探索上存在盲區，在流量精度測量上長期以來備受業內人士的質疑。空氣流量計雖然技術上有了改進，但有待進一步改良，不管是在理論還是應用層麵上（shàng）均有諸多工作要做。近些年，**範圍內的業內人（rén）士對於空氣流（liú）量（liàng）計實施了多次探索，研究成果值得肯定。
蒸汽流量量值體係的溯源是保（bǎo）證蒸汽流量測量準確的關鍵。本（běn）文基於流體力學、熱力學以及空氣流量計旋渦的產生機理，分析不（bú）同介質對（duì）空氣流量計的計量特（tè）性的影響（xiǎng），介質（zhì）粘度的不同導致（zhì）了三種介質測試下雷諾數的不同，影響到（dào）斯特勞哈數差異（yì）。但對（duì）空氣流量計的（de）儀表係數影響不大，可忽略其影（yǐng）響。介質粘度的不同會導致流量（liàng）範圍的不同。該分析將有利於提高空氣流量計測量蒸汽流（liú）量的計量（liàng）準確度。
1 蒸汽介質的影響因素
所謂空氣（qì）流量計(亦稱旋渦流量（liàng）計)，其工作機理是“卡門渦（wō）街”，是一類流體振蕩式的測量（liàng）儀（yí）器。“卡門渦街”的原理（lǐ）是：待測（cè）管道流體中放（fàng）進一根(或數根（gēn）)非流線型截麵的旋渦發生體，等到雷諾數到（dào）達特定數值，在（zài）旋渦發生體兩側分離出兩串交錯有序的旋渦，此（cǐ）過程具有交替性，我們將這種旋渦叫作卡門渦街。在特定雷諾數範圍之間，旋（xuán）渦（wō）的分離頻（pín）率同旋渦發生體與管道的幾何尺寸息息相關（guān）。數據（jù）表明，旋渦的分離頻率同流量存在正相關性，此頻率可通過傳感器獲得。以（yǐ）上空（kōng）氣流量計與卡門渦街（jiē）的關係可從圖1看出，二者有如下邏輯關係：
式中：
f 為旋渦分（fèn）離頻率，Hz ；
S r 為斯特（tè）勞哈爾（ěr）數；
U 1 為旋渦發生體兩（liǎng）側的平均流速，m/s ；
d 為旋渦發生體（tǐ）迎流麵的寬度，m；
U 為被測介質（zhì）來流的平均（jun1）流速，m/s ；
m 為旋渦發生體兩側弓形麵積與管道橫（héng）截麵（miàn）麵積之比。不可壓縮流體中，由於（yú）流體密（mì）度 r 不變，由連續性方程可得到（dào）： m = U / U 1 。
式中：K 為空氣流量計的儀表（biǎo）係數，1 /m 3 。通過式（3）不難看出，儀表係數 K 是空氣流量計的計量特（tè）性（xìng）的定量表征，數據表明，其（qí）儀表係數隻和其機械結構與（yǔ）斯特勞哈爾數有關，同來流流（liú）量並無相關性。
研（yán）究發現（xiàn），蒸汽對空（kōng）氣流量（liàng）計計量特性（xìng）存在較大影響。可總結為三個方麵：
*一（yī），從公式（3）中能夠得出，機械結構尺寸 D 、m 、 d 以及斯特勞哈爾（ěr）數 S r 這些（xiē）參數與K值大小存在（zài）較大（dà）關聯性（xìng）。基於物理原理研究發現，在（zài）流體介質（zhì）條件存在差（chà）異情況下，機械結（jié）構尺寸的改變（biàn）一般是與（yǔ）溫度的改變引（yǐn）發的熱脹冷縮效應息息相關。
*二，雷諾數對斯特勞哈爾數 S r 產生較大影響，前者又與粘度密切相關（guān），而粘度的差異性（xìng）又取決於流體的差異，既而引發（fā）斯特勞哈爾數 S r 的（de）區別。
*三，公式（shì）（3）的推導（dǎo）過程是以不可壓縮流體為前提的，當換作（zuò）氣體介（jiè）質時（shí），由於可壓縮性的區別或許會引發儀表係數產生誤差。以上三個因素對於空氣流量計的影響將在下一節進一步探（tàn）討。
2 蒸汽介質斯特勞哈爾（ěr）數的影響
嚴格而言，斯特勞哈爾數是一（yī）種相似準則，是在（zài）討論流體力學（xué）中物理相似（sì）和模化是引入的概念。其是用來表征旋渦頻率（lǜ）和阻流體特征尺寸（cùn）、流速關係的。在特定雷諾數區間中，旋渦的分離頻率和旋渦發生體與管道（dào）的（de）幾何尺寸密切相關，換言之斯特勞哈數可視（shì）為定量。
由圖2可看出，在 R eD =2×10 4 7×10 6 區間內，斯特勞哈數是定值，此也是儀表的正常工作區間。
現實情形下， S r 即便在 R eD =2×10 4 7×10 6 區間內，也與 R eD 的改變發生變化，參照1989年日本製訂的空氣流量計工業標準JISZ8766《空氣流量計——流量測量方法》。2002年加（jiā）以（yǐ）修訂，把空氣流量計（jì）發生體的固定形式歸為兩種，《標準》規定的旋（xuán）渦設計，發生（shēng）體依據插入測量管頂端固定與否區別（bié）為標準1型與標準2型，它們的 S r 值（zhí）存在較小區別，詳見（jiàn）表1數據。
標準2型 S r 的平均值是0.25033，它的標準偏（piān）差是0.12%；而標準1型為（wéi）0.3%，現階（jiē）段我國一般廣（guǎng）泛采用標準1型。而標準2型在（zài）日本橫河儀表（biǎo）研製的（de）空氣流量計普遍采用。
通過雷諾數的推導公式不難得出，檢（jiǎn）測時，蒸汽和空氣因為粘度的區（qū）別，會引發雷（léi）諾數存在差異。參照一般實驗情（qíng）況下三類流體介質的工況差異，它們的運動粘（zhān）度詳見表2：
式中（zhōng）：
表征介質密度；
D 表征管徑；
u 表征流速；
表征介質動力粘（zhān）度；
v 表征介質運（yùn）動粘度。
通過以上各參數數據不難（nán）發現（xiàn），水的運動（dòng）粘度*低，空氣*高（gāo），蒸汽（qì）介（jiè）於二者之間。三者比例是1：15：4。所以若使雷諾數一致，應使水的流速*小，空氣*大（dà），蒸汽在區間取值。在對儀表的（de）係（xì）數進行檢定過程中，通常應考慮雷諾數一致時，真實測量過程中的差異性（xìng）誤差。尤（yóu）其在蒸汽（qì）的測（cè）量時，儀表量（liàng）程的選型是參照在空氣介質下測量獲得的體積流量區間與蒸汽的密度乘積，推導出蒸汽的體積流量區間。這種算法會引發差異性介質下雷諾數（shù）的區間差異。細（xì）致分析上表可得出，隻要（yào）雷諾數在既定範圍內，檢定過（guò）程中並不會由於（yú）介質的不同造成較大的誤差（chà），這個影響可不考慮（lǜ）。但雷諾數不（bú）可超出規定區間，否則會引發 S r 的較大差異，造成誤差。
通過表3不難發現，要得出空氣流量計基於*低流量的（de）限雷諾數，口（kǒu）徑（jìng）一致情況（kuàng）下三類介質的（de）*小流速（sù）應滿足1.0：4.0：15.0的大致比例。所以不可以將空氣介質（zhì）下的體積流量區間等同於蒸汽介質下的數值。
3 蒸汽介質物理特性影響分（fèn）析
1873年，荷蘭**物理學家範德瓦爾斯特實驗室中，發現了水蒸氣（qì）的物理性質，得出（chū）氣體分子間有著（zhe）一定作用（yòng）力，繼而推導出氣體的狀態方程以輔助理論驗（yàn）證（zhèng），這就是**的範德瓦爾斯特氣體狀態方程。進一步研究發現，水蒸（zhēng）汽（qì）的分子的體（tǐ）積和相互的作（zuò）用力比較大，無法以理想的氣體狀態（tài）方程加以表征。參照範（fàn）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；
a 為度量分子間引（yǐn）力的參數；
b 為1摩（mó）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（yīn）氣體的（de）性質不同而存在差異，一（yī）般地，氣體的分子間引力參數 a 與 b 分子體積 表（biǎo）述如表3所示。
範德瓦爾斯特提出，氣體分子間的（de）吸引力（lì）與間距存在負相關性，也就是密度的概念。把此理論使用在空氣流（liú）量計的測量過程（chéng）中，通過表中的數據不難發現，水蒸汽分子間的吸引力a的數值較大，相當於氧（yǎng）氣與氮氣的4倍多。所以，在（zài）測（cè）量實際氣體時，基於同等壓力條件，水的分子間的吸引力的數值較蒸汽與空氣大得（dé）多，而蒸汽又顯（xiǎn）著大於（yú）空（kōng）氣。用空氣流量計進行測量時，發生體兩側的位置因為流速加大，引起靜壓（yā）力減（jiǎn）小，體（tǐ）積擴張，流（liú）體密度隨之減小，而水介質由於分子間作（zuò）用力大（dà），並無明顯膨脹情況。蒸汽的分子間的吸（xī）引力比空氣（qì）大，所以前者膨脹性更低，密度變化也更小。參考流量（liàng）的連續性方程得出，因為空（kōng）氣密度變化更大，所以它（tā）的（de）發生體兩側的流（liú）量變化較蒸汽介質更大，所以它的儀表（biǎo）係數比蒸汽介質變化更顯著。而氣體的可（kě）壓縮性與等嫡指數是其內在（zài）機理，這和我們的（de）理（lǐ）論研究結果相互印證。
蒸汽（qì）流量計量中關於空氣流量計（jì）的特性分析研究 空氣流量計取壓方（fāng）式對檢定結果的影響及優化措施 空氣流量計作為主蒸汽流量計在應用時的（de）故障處（chù）理分析（xī） 有效（xiào）增加空氣（qì）流量計價格使用壽命的日常維護操作（zuò）方（fāng）法說明 管道空氣（qì）流量計在氣田生產中使用情況與計量問題分析 淺析空（kōng）氣流量計在鑽井檢測係統方麵的應（yīng）用 空氣流量計進出口管線泄漏原因（yīn）分析及處理 食品（pǐn）廠（chǎng）壓縮空氣流量（liàng）計,高溫壓縮（suō）空氣流（liú）量計 壓縮空氣流量計在工程應用中（zhōng）要應對一係列問題及解決方法（fǎ） 壓縮空氣（qì）流量計廠家 管（guǎn）道壓縮空氣流量計 遠傳壓縮空氣流量計 智能壓縮空氣計量表,壓縮空氣流（liú）量計量表 食品廠壓（yā）縮空氣流量計 管（guǎn）道壓（yā）縮空氣（qì）流量計,壓縮空氣流量（liàng）用什麽流量計測量 智能壓縮空氣流（liú）量（liàng）計選型（xíng） 壓（yā）縮空氣流量計dn100 智能壓縮空氣計量表,管道（dào）式壓（yā）縮空氣流量計 dn25壓縮空氣流量（liàng）計 測量壓縮空氣流量計,管道式壓縮空氣流量計 智能壓縮空氣計量（liàng）表,測量壓縮空氣流（liú）量計 工廠壓縮空氣流（liú）量計 dn40壓縮（suō）空氣流（liú）量計,壓縮（suō）空氣（qì）流量計量表 對夾式壓縮空（kōng）氣流量計 1寸壓縮空氣流量計 大管徑壓縮空（kōng）氣流量計,智能壓縮空氣計（jì）量表 測壓縮空氣流量計 導致壓縮空氣流量計測量數（shù）據偏差的因素分析 智能壓縮空氣流量計價格 管道壓縮空氣流量計廠家
到了二十（shí）世紀80年代，因為工業生產的推動，空氣流量計得以廣泛采用，但缺點是（shì）對於蒸汽介質上的測試仍是空白，隻（zhī）可（kě）進行空氣流量計（jì）的構造方式、DSP、流量量程（chéng）、管道材質等方麵加以升級，增強了空氣流（liú）量計的在液體與空氣中的（de）測量準度。由（yóu）於在蒸（zhēng）汽介質（zhì）方麵（miàn）的探索上存在盲區，在流量精度測量上長期以來備受業內人士的質疑。空氣流量計雖然技術上有了改進，但有待進一步改良，不管是在理論還是應用層麵上（shàng）均有諸多工作要做。近些年，**範圍內的業內人（rén）士對於空氣流（liú）量（liàng）計實施了多次探索，研究成果值得肯定。
蒸汽流量量值體係的溯源是保（bǎo）證蒸汽流量測量準確的關鍵。本（běn）文基於流體力學、熱力學以及空氣流量計旋渦的產生機理，分析不（bú）同介質對（duì）空氣流量計的計量特（tè）性的影響（xiǎng），介質（zhì）粘度的不同導致（zhì）了三種介質測試下雷諾數的不同，影響到（dào）斯特勞哈數差異（yì）。但對（duì）空氣流量計的（de）儀表係數影響不大，可忽略其影（yǐng）響。介質粘度的不同會導致流量（liàng）範圍的不同。該分析將有利於提高空氣流量計測量蒸汽流（liú）量的計量（liàng）準確度。
1 蒸汽介質的影響因素
所謂空氣（qì）流量計(亦稱旋渦流量（liàng）計)，其工作機理是“卡門渦（wō）街”，是一類流體振蕩式的測量（liàng）儀（yí）器。“卡門渦街”的原理（lǐ）是：待測（cè）管道流體中放（fàng）進一根(或數根（gēn）)非流線型截麵的旋渦發生體，等到雷諾數到（dào）達特定數值，在（zài）旋渦發生體兩側分離出兩串交錯有序的旋渦，此（cǐ）過程具有交替性，我們將這種旋渦叫作卡門渦街。在特定雷諾數範圍之間，旋（xuán）渦（wō）的分離頻（pín）率同旋渦發生體與管道的幾何尺寸息息相關（guān）。數據（jù）表明，旋渦的分離頻率同流量存在正相關性，此頻率可通過傳感器獲得。以（yǐ）上空（kōng）氣流量計與卡門渦街（jiē）的關係可從圖1看出，二者有如下邏輯關係：
式中：
f 為旋渦分（fèn）離頻率，Hz ；
S r 為斯特（tè）勞哈爾（ěr）數；
U 1 為旋渦發生體兩（liǎng）側的平均流速，m/s ；
d 為旋渦發生體（tǐ）迎流麵的寬度，m；
U 為被測介質（zhì）來流的平均（jun1）流速，m/s ；
m 為旋渦發生體兩側弓形麵積與管道橫（héng）截麵（miàn）麵積之比。不可壓縮流體中，由於（yú）流體密（mì）度 r 不變，由連續性方程可得到（dào）： m = U / U 1 。
式中：K 為空氣流量計的儀表（biǎo）係數，1 /m 3 。通過式（3）不難看出，儀表係數 K 是空氣流量計的計量特（tè）性（xìng）的定量表征，數據表明，其（qí）儀表係數隻和其機械結構與（yǔ）斯特勞哈爾數有關，同來流流（liú）量並無相關性。
研（yán）究發現（xiàn），蒸汽對空（kōng）氣流量（liàng）計計量特性（xìng）存在較大影響。可總結為三個方麵：
*一（yī），從公式（3）中能夠得出，機械結構尺寸 D 、m 、 d 以及斯特勞哈爾（ěr）數 S r 這些（xiē）參數與K值大小存在（zài）較大（dà）關聯性（xìng）。基於物理原理研究發現，在（zài）流體介質（zhì）條件存在差（chà）異情況下，機械結（jié）構尺寸的改變（biàn）一般是與（yǔ）溫度的改變引（yǐn）發的熱脹冷縮效應息息相關。
*二，雷諾數對斯特勞哈爾數 S r 產生較大影響，前者又與粘度密切相關（guān），而粘度的差異性（xìng）又取決於流體的差異，既而引發（fā）斯特勞哈爾數 S r 的（de）區別。
*三，公式（shì）（3）的推導（dǎo）過程是以不可壓縮流體為前提的，當換作（zuò）氣體介（jiè）質時（shí），由於可壓縮性的區別或許會引發儀表係數產生誤差。以上三個因素對於空氣流量計的影響將在下一節進一步探（tàn）討。
2 蒸汽介質斯特勞哈爾（ěr）數的影響
嚴格而言，斯特勞哈爾數是一（yī）種相似準則，是在（zài）討論流體力學（xué）中物理相似（sì）和模化是引入的概念。其是用來表征旋渦頻率（lǜ）和阻流體特征尺寸（cùn）、流速關係的。在特定雷諾數區間中，旋渦的分離頻率和旋渦發生體與管道（dào）的（de）幾何尺寸密切相關，換言之斯特勞哈數可視（shì）為定量。
由圖2可看出，在 R eD =2×10 4 7×10 6 區間內，斯特勞哈數是定值，此也是儀表的正常工作區間。
現實情形下， S r 即便在 R eD =2×10 4 7×10 6 區間內，也與 R eD 的改變發生變化，參照1989年日本製訂的空氣流量計工業標準JISZ8766《空氣流量計——流量測量方法》。2002年加（jiā）以（yǐ）修訂，把空氣流量計（jì）發生體的固定形式歸為兩種，《標準》規定的旋（xuán）渦設計，發生（shēng）體依據插入測量管頂端固定與否區別（bié）為標準1型與標準2型，它們的 S r 值（zhí）存在較小區別，詳見（jiàn）表1數據。
標準2型 S r 的平均值是0.25033，它的標準偏（piān）差是0.12%；而標準1型為（wéi）0.3%，現階（jiē）段我國一般廣（guǎng）泛采用標準1型。而標準2型在（zài）日本橫河儀表（biǎo）研製的（de）空氣流量計普遍采用。
通過雷諾數的推導公式不難得出，檢（jiǎn）測時，蒸汽和空氣因為粘度的區（qū）別，會引發雷（léi）諾數存在差異。參照一般實驗情（qíng）況下三類流體介質的工況差異，它們的運動粘（zhān）度詳見表2：
式中（zhōng）：
表征介質密度；
D 表征管徑；
u 表征流速；
表征介質動力粘（zhān）度；
v 表征介質運（yùn）動粘度。
通過以上各參數數據不難（nán）發現（xiàn），水的運動（dòng）粘度*低，空氣*高（gāo），蒸汽（qì）介（jiè）於二者之間。三者比例是1：15：4。所以若使雷諾數一致，應使水的流速*小，空氣*大（dà），蒸汽在區間取值。在對儀表的（de）係（xì）數進行檢定過程中，通常應考慮雷諾數一致時，真實測量過程中的差異性（xìng）誤差。尤（yóu）其在蒸汽（qì）的測（cè）量時，儀表量（liàng）程的選型是參照在空氣介質下測量獲得的體積流量區間與蒸汽的密度乘積，推導出蒸汽的體積流量區間。這種算法會引發差異性介質下雷諾數（shù）的區間差異。細（xì）致分析上表可得出，隻要（yào）雷諾數在既定範圍內，檢定過（guò）程中並不會由於（yú）介質的不同造成較大的誤差（chà），這個影響可不考慮（lǜ）。但雷諾數不（bú）可超出規定區間，否則會引發 S r 的較大差異，造成誤差。
通過表3不難發現，要得出空氣流量計基於*低流量的（de）限雷諾數，口（kǒu）徑（jìng）一致情況（kuàng）下三類介質的（de）*小流速（sù）應滿足1.0：4.0：15.0的大致比例。所以不可以將空氣介質（zhì）下的體積流量區間等同於蒸汽介質下的數值。
3 蒸汽介質物理特性影響分（fèn）析
1873年，荷蘭**物理學家範德瓦爾斯特實驗室中，發現了水蒸氣（qì）的物理性質，得出（chū）氣體分子間有著（zhe）一定作用（yòng）力，繼而推導出氣體的狀態方程以輔助理論驗（yàn）證（zhèng），這就是**的範德瓦爾斯特氣體狀態方程。進一步研究發現，水蒸（zhēng）汽（qì）的分子的體（tǐ）積和相互的作（zuò）用力比較大，無法以理想的氣體狀態（tài）方程加以表征。參照範（fàn）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；
a 為度量分子間引（yǐn）力的參數；
b 為1摩（mó）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（yīn）氣體的（de）性質不同而存在差異，一（yī）般地，氣體的分子間引力參數 a 與 b 分子體積 表（biǎo）述如表3所示。
範德瓦爾斯特提出，氣體分子間的（de）吸引力（lì）與間距存在負相關性，也就是密度的概念。把此理論使用在空氣流（liú）量計的測量過程（chéng）中，通過表中的數據不難發現，水蒸汽分子間的吸引力a的數值較大，相當於氧（yǎng）氣與氮氣的4倍多。所以，在（zài）測（cè）量實際氣體時，基於同等壓力條件，水的分子間的吸引力的數值較蒸汽與空氣大得（dé）多，而蒸汽又顯（xiǎn）著大於（yú）空（kōng）氣。用空氣流量計進行測量時，發生體兩側的位置因為流速加大，引起靜壓（yā）力減（jiǎn）小，體（tǐ）積擴張，流（liú）體密度隨之減小，而水介質由於分子間作（zuò）用力大（dà），並無明顯膨脹情況。蒸汽的分子間的吸（xī）引力比空氣（qì）大，所以前者膨脹性更低，密度變化也更小。參考流量（liàng）的連續性方程得出，因為空（kōng）氣密度變化更大，所以它（tā）的（de）發生體兩側的流（liú）量變化較蒸汽介質更大，所以它的儀表（biǎo）係數比蒸汽介質變化更顯著。而氣體的可（kě）壓縮性與等嫡指數是其內在（zài）機理，這和我們的（de）理（lǐ）論研究結果相互印證。
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