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蒸（zhēng）汽流量計量中關（guān）於二氧化碳氣體流（liú）量計的特性分析
點擊次（cì）數：2563 發（fā）布時間：2021-01-08 05:45:37
二氧化碳氣體流量計（jì）在測量液體和氣體方麵（miàn）都有很好的應用，針對於二（èr）氧化（huà）碳氣體流（liú）量計在蒸汽流體上的測量，近（jìn）年來得到了很廣泛的推廣，許（xǔ）多儀表生產企業也（yě）在積*地攻關與研發。對（duì）於蒸（zhēng）汽了測量一（yī）直（zhí）是比較（jiào）棘手的，為了（le）強化對於（yú）蒸汽的計量（liàng）能力（lì），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，共同研發了一種二氧化碳氣體流量計，它的耐高溫性能好，壓損不大，這種流量計廣泛應（yīng）用於高溫條（tiáo）件下蒸（zhēng）汽流量的計量過程。因為流體流量和其（qí）輸出的頻率信號存（cún）在正相關性，同時頻率信號在流體組分、密度、壓力、溫（wēn）度（dù）改變情況下仍能（néng）保（bǎo）持一定穩定性；另外，此儀器的量（liàng）程較大（dà）；均為不（bú）可動部件，穩定性大大增強；結構相（xiàng）對簡單，安裝（zhuāng）維護難度小，維護（hù）成本低。基於以上優點，該頻率信號被（bèi）普遍（biàn）使用在計量與工業過程的控（kòng）製過程中。
到了二（èr）十世紀80年代，因為工業生產的推動，二氧化碳氣體流量計得以廣泛采用，但缺點是對於蒸汽（qì）介質上的（de）測試仍是空白，隻可進行二氧化碳氣體流量計的構造方式、DSP、流量量程、管道材質等方麵加以升級，增強了二氧化碳氣體流量計的在液體與空氣中的測（cè）量準度。由於在（zài）蒸汽介質（zhì）方麵的探索上存在盲區，在流量精度測量上長期（qī）以來備受業內人士的質（zhì）疑。二氧（yǎng）化碳氣體流量計雖然技術上有了改進，但有待進一步改良，不（bú）管是在理論還是應用層麵上均有諸多工作要做。近些年，**範（fàn）圍內的業內人（rén）士對於二氧化（huà）碳氣體流量計實施（shī）了多次探索，研究成果值得（dé）肯定。
蒸汽流量量值（zhí）體係的溯源是保證蒸汽流量測量準確的關鍵。本文基於流體（tǐ）力學、熱力學以及二氧化碳（tàn）氣體流量計旋渦的產生機理，分析不（bú）同介（jiè）質對二（èr）氧化碳氣體流量計的計量特性的影響，介質粘度的不同導致了三種介質測試下雷諾數的不同，影響到斯特勞哈數差異。但對二氧化碳氣體流量計的儀表係數影響不大（dà），可忽略其影響。介（jiè）質粘度的不同會導致流量範圍的（de）不同（tóng）。該分析將有利於提高二氧化碳（tàn）氣（qì）體流量計測量蒸汽流量的計量（liàng）準確度。
1 蒸汽介質的影響因素
所謂二氧化碳氣體流量計(亦稱（chēng）旋渦流量計)，其工作機理是“卡門渦街”，是一類流體（tǐ）振蕩式的測量儀器。“卡門渦街”的原理是：待測管道流體（tǐ）中放進一根(或數根)非流線型截麵（miàn）的（de）旋渦發生體，等到（dào）雷諾數（shù）到（dào）達特定數值（zhí），在旋（xuán）渦發生體兩側分離出兩串交錯（cuò）有序（xù）的旋渦，此過程（chéng）具有交替（tì）性，我們將（jiāng）這種旋渦叫（jiào）作卡門渦街。在特定雷諾數範圍之間，旋（xuán）渦的分離頻率同旋（xuán）渦發生體與管道（dào）的幾何尺（chǐ）寸息息相關。數據表（biǎo）明，旋渦的分離頻率同流（liú）量存在正相關性，此頻率可通過傳感器獲得。以上二氧化碳氣體流量計與卡門渦街的（de）關（guān）係可（kě）從圖1看出，二者有如下邏輯關係：
式中：
f 為旋渦分離頻率，Hz ；
S r 為斯（sī）特勞哈爾數；
U 1 為旋渦發生體兩側的平均流速，m/s ；
d 為旋渦發生（shēng）體迎流麵的寬度，m；
U 為被測介質來流的平（píng）均流速，m/s ；
m 為（wéi）旋渦發生體兩側弓形麵積與管（guǎn）道橫截麵麵積之比。不可壓縮流體中，由於（yú）流體密度 r 不變，由連續性方程可（kě）得到： m = U / U 1 。
式中：K 為二氧化碳氣體流量計的儀表係（xì）數，1 /m 3 。通過式（3）不難看出，儀表係數 K 是二氧化碳氣體流量計的（de）計量特性的定量表征，數據表明，其儀表係數隻和其機械（xiè）結構與斯特（tè）勞哈爾數有關，同來流流量並無相關性。
研究發現（xiàn），蒸汽對二氧化碳氣體流量計（jì）計量特性存在（zài）較大（dà）影響。可總結為三個（gè）方麵：
*一，從公式（3）中能夠得出，機械（xiè）結構尺寸 D 、m 、 d 以（yǐ）及斯特勞哈爾（ěr）數 S r 這些參數與K值大小存在較大關聯性。基於物理原理研究發現，在（zài）流體介質條件存在差異（yì）情況下，機械結構尺寸的改變一（yī）般是與溫度的改變引發的熱脹冷縮效應息息相關。
*二，雷諾數對斯特勞哈爾（ěr）數 S r 產生較大影（yǐng）響，前者又與粘度密切相關，而粘度的差異性又取決於流體的差異，既而引發斯特勞哈爾數（shù） S r 的（de）區別。
*三，公式（3）的推導過程（chéng）是以不可壓縮流（liú）體為前（qián）提的，當換（huàn）作氣體介質時（shí），由（yóu）於可壓縮性的區（qū）別或許會引發（fā）儀表係數產生誤（wù）差。以上三個因素對（duì）於二氧化碳氣體流量計（jì）的影響將（jiāng）在下一節進一步探討。
2 蒸汽（qì）介質斯特勞哈爾數的影響
嚴格（gé）而言，斯特勞哈爾數是一種相似準則，是在討論流體（tǐ）力學中物理相似和模化是引入的概念。其（qí）是用來表征旋渦頻率和阻流體特（tè）征尺寸、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）的幾何尺寸密切相關，換言之（zhī）斯特勞哈（hā）數可視為定量。
由圖2可看出，在 R eD =2×10 4 7×10 6 區間內，斯特勞哈（hā）數是定值，此也是儀表的正常（cháng）工作區間。
現（xiàn）實情（qíng）形下， S r 即便在 R eD =2×10 4 7×10 6 區間內，也與 R eD 的（de）改（gǎi）變發生變化，參照1989年（nián）日本製訂的二氧化（huà）碳氣體流量計工業標準JISZ8766《二氧（yǎng）化碳氣體流量計——流量測量（liàng）方法》。2002年加以修訂，把二氧化碳氣體流量計發生體的固定形式歸為兩（liǎng）種，《標準》規定的旋渦設計，發生體依據插（chā）入測量管頂端固定（dìng）與否區別為標準1型與標準（zhǔn）2型，它們的 S r 值存在較小區別，詳見表1數據。
標準2型 S r 的平均值是0.25033，它的標準偏差是0.12%；而標準1型為0.3%，現階段我國（guó）一般廣泛采用標準1型。而標準2型（xíng）在日本橫河儀表研製的二（èr）氧化碳氣體流量計普遍采用。
通過（guò）雷諾數（shù）的推導公式不難得出，檢（jiǎn）測時，蒸汽和空氣因為粘度的區別，會引發雷諾（nuò）數存在差異（yì）。參照（zhào）一般實驗情況下三類流體介質（zhì）的工（gōng）況差異，它們的運動粘度詳見表（biǎo）2：
式中：
表征介質密度（dù）；
D 表征管徑；
u 表征流速；
表征介質動力粘度；
v 表征介質（zhì）運動粘度。
通過（guò）以上各參數數據不難發現，水的運動粘度*低，空氣（qì）*高，蒸汽介於二者之間（jiān）。三者比例是1：15：4。所以若（ruò）使雷諾數一致，應使水的流速*小，空氣*大，蒸（zhēng）汽在區間取值。在對儀表的係（xì）數進行（háng）檢定過程中，通常應考（kǎo）慮雷諾數一致時，真實測量過程中的差異性誤差。尤其在蒸汽（qì）的測量時（shí），儀表量程的選型是參照在空（kōng）氣介質下測量獲得的體積流量（liàng）區間與蒸汽的密度乘積（jī），推導出蒸汽的體積流量區（qū）間。這種算法會引發差異性介質下雷諾數的區間（jiān）差異。細（xì）致（zhì）分析上表可得（dé）出，隻要（yào）雷諾數在既定範圍內，檢定過程中並（bìng）不（bú）會由於介質的不同造成較（jiào）大的誤差，這個影響可不考慮。但雷（léi）諾數不可超出規定區間，否則會引發 S r 的（de）較大差異，造（zào）成誤差（chà）。
通過表3不（bú）難發現，要得出二氧化碳（tàn）氣體流（liú）量計基於*低流量的限雷諾數（shù），口徑一致情況下三類介質的*小（xiǎo）流速應滿（mǎn）足1.0：4.0：15.0的大（dà）致比例。所以不可以將空氣介質下的體積（jī）流量區間等（děng）同於蒸汽介質下的數值。
3 蒸汽介質物理（lǐ）特性影響（xiǎng）分析
1873年，荷蘭**物（wù）理學家（jiā）範德瓦爾斯特實驗室（shì）中，發現了水蒸氣（qì）的物理性質，得出氣（qì）體分子間有著一定作用力，繼而推導出氣體的狀態方程以輔助理（lǐ）論驗證，這就是**的範德瓦爾斯特氣體狀態方程。進（jìn）一步研究（jiū）發現，水蒸（zhēng）汽的分子的體積和相互的作用力比較（jiào）大，無法以理（lǐ）想的氣體狀態方程加以表（biǎo）征（zhēng）。參照範德瓦爾斯特公式（5）的計算過程：
式中：
p 為（wéi）壓強；
V 為1摩爾氣體的體積；
R 為普適氣體（tǐ）常數；
a 為度量分子間引力的參數；
b 為1摩爾分子本身包含的體積（jī）之和。
以上公式（5）中因子 a 和 b 的值因氣體的性質不同而存在差異，一般地，氣體的分子間引力參數 a 與 b 分子體積 表述如表3所（suǒ）示。
範德瓦爾斯特提（tí）出，氣（qì）體（tǐ）分子間的吸（xī）引力與間（jiān）距存在負相關性，也就是密度的概（gài）念。把此理論使用在二氧化碳氣體流量計的測量過程中，通過表中的數據不難發現，水蒸汽（qì）分子間的吸引（yǐn）力a的數值較大，相當（dāng）於氧氣與氮氣（qì）的4倍多。所以，在（zài）測量實際氣體時，基（jī）於同等壓力條件，水（shuǐ）的分子（zǐ）間的（de）吸引力的數值較（jiào）蒸汽（qì）與空氣大得多，而蒸汽又顯著大於空氣。用二氧（yǎng）化碳氣體流量計進行測量時，發生體兩側的位置因為流速加大，引起靜（jìng）壓力減小（xiǎo），體積擴張，流體密度隨之減小，而水介質由於分（fèn）子間作用力大，並無明顯膨脹情況。蒸汽的分子間的吸引力比空氣大，所以前者膨（péng）脹性更低，密度變化也更（gèng）小。參考流量的連續（xù）性方程得出，因為空氣密度變化更大，所以它的發生（shēng）體兩側的流量變化較蒸汽介質更大，所以它的儀表係數比蒸汽介質變化（huà）更顯著。而氣體的可壓縮性與等嫡指數是其（qí）內在機理，這和我們的理論研究結（jié）果相互印證。
到了二（èr）十世紀80年代，因為工業生產的推動，二氧化碳氣體流量計得以廣泛采用，但缺點是對於蒸汽（qì）介質上的（de）測試仍是空白，隻可進行二氧化碳氣體流量計的構造方式、DSP、流量量程、管道材質等方麵加以升級，增強了二氧化碳氣體流量計的在液體與空氣中的測（cè）量準度。由於在（zài）蒸汽介質（zhì）方麵的探索上存在盲區，在流量精度測量上長期（qī）以來備受業內人士的質（zhì）疑。二氧（yǎng）化碳氣體流量計雖然技術上有了改進，但有待進一步改良，不（bú）管是在理論還是應用層麵上均有諸多工作要做。近些年，**範（fàn）圍內的業內人（rén）士對於二氧化（huà）碳氣體流量計實施（shī）了多次探索，研究成果值得（dé）肯定。
蒸汽流量量值（zhí）體係的溯源是保證蒸汽流量測量準確的關鍵。本文基於流體（tǐ）力學、熱力學以及二氧化碳（tàn）氣體流量計旋渦的產生機理，分析不（bú）同介（jiè）質對二（èr）氧化碳氣體流量計的計量特性的影響，介質粘度的不同導致了三種介質測試下雷諾數的不同，影響到斯特勞哈數差異。但對二氧化碳氣體流量計的儀表係數影響不大（dà），可忽略其影響。介（jiè）質粘度的不同會導致流量範圍的（de）不同（tóng）。該分析將有利於提高二氧化碳（tàn）氣（qì）體流量計測量蒸汽流量的計量（liàng）準確度。
1 蒸汽介質的影響因素
所謂二氧化碳氣體流量計(亦稱（chēng）旋渦流量計)，其工作機理是“卡門渦街”，是一類流體（tǐ）振蕩式的測量儀器。“卡門渦街”的原理是：待測管道流體（tǐ）中放進一根(或數根)非流線型截麵（miàn）的（de）旋渦發生體，等到（dào）雷諾數（shù）到（dào）達特定數值（zhí），在旋（xuán）渦發生體兩側分離出兩串交錯（cuò）有序（xù）的旋渦，此過程（chéng）具有交替（tì）性，我們將（jiāng）這種旋渦叫（jiào）作卡門渦街。在特定雷諾數範圍之間，旋（xuán）渦的分離頻率同旋（xuán）渦發生體與管道（dào）的幾何尺（chǐ）寸息息相關。數據表（biǎo）明，旋渦的分離頻率同流（liú）量存在正相關性，此頻率可通過傳感器獲得。以上二氧化碳氣體流量計與卡門渦街的（de）關（guān）係可（kě）從圖1看出，二者有如下邏輯關係：
式中：
f 為旋渦分離頻率，Hz ；
S r 為斯（sī）特勞哈爾數；
U 1 為旋渦發生體兩側的平均流速，m/s ；
d 為旋渦發生（shēng）體迎流麵的寬度，m；
U 為被測介質來流的平（píng）均流速，m/s ；
m 為（wéi）旋渦發生體兩側弓形麵積與管（guǎn）道橫截麵麵積之比。不可壓縮流體中，由於（yú）流體密度 r 不變，由連續性方程可（kě）得到： m = U / U 1 。
式中：K 為二氧化碳氣體流量計的儀表係（xì）數，1 /m 3 。通過式（3）不難看出，儀表係數 K 是二氧化碳氣體流量計的（de）計量特性的定量表征，數據表明，其儀表係數隻和其機械（xiè）結構與斯特（tè）勞哈爾數有關，同來流流量並無相關性。
研究發現（xiàn），蒸汽對二氧化碳氣體流量計（jì）計量特性存在（zài）較大（dà）影響。可總結為三個（gè）方麵：
*一，從公式（3）中能夠得出，機械（xiè）結構尺寸 D 、m 、 d 以（yǐ）及斯特勞哈爾（ěr）數 S r 這些參數與K值大小存在較大關聯性。基於物理原理研究發現，在（zài）流體介質條件存在差異（yì）情況下，機械結構尺寸的改變一（yī）般是與溫度的改變引發的熱脹冷縮效應息息相關。
*二，雷諾數對斯特勞哈爾（ěr）數 S r 產生較大影（yǐng）響，前者又與粘度密切相關，而粘度的差異性又取決於流體的差異，既而引發斯特勞哈爾數（shù） S r 的（de）區別。
*三，公式（3）的推導過程（chéng）是以不可壓縮流（liú）體為前（qián）提的，當換（huàn）作氣體介質時（shí），由（yóu）於可壓縮性的區（qū）別或許會引發（fā）儀表係數產生誤（wù）差。以上三個因素對（duì）於二氧化碳氣體流量計（jì）的影響將（jiāng）在下一節進一步探討。
2 蒸汽（qì）介質斯特勞哈爾數的影響
嚴格（gé）而言，斯特勞哈爾數是一種相似準則，是在討論流體（tǐ）力學中物理相似和模化是引入的概念。其（qí）是用來表征旋渦頻率和阻流體特（tè）征尺寸、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）的幾何尺寸密切相關，換言之（zhī）斯特勞哈（hā）數可視為定量。
由圖2可看出，在 R eD =2×10 4 7×10 6 區間內，斯特勞哈（hā）數是定值，此也是儀表的正常（cháng）工作區間。
現（xiàn）實情（qíng）形下， S r 即便在 R eD =2×10 4 7×10 6 區間內，也與 R eD 的（de）改（gǎi）變發生變化，參照1989年（nián）日本製訂的二氧化（huà）碳氣體流量計工業標準JISZ8766《二氧（yǎng）化碳氣體流量計——流量測量（liàng）方法》。2002年加以修訂，把二氧化碳氣體流量計發生體的固定形式歸為兩（liǎng）種，《標準》規定的旋渦設計，發生體依據插（chā）入測量管頂端固定（dìng）與否區別為標準1型與標準（zhǔn）2型，它們的 S r 值存在較小區別，詳見表1數據。
標準2型 S r 的平均值是0.25033，它的標準偏差是0.12%；而標準1型為0.3%，現階段我國（guó）一般廣泛采用標準1型。而標準2型（xíng）在日本橫河儀表研製的二（èr）氧化碳氣體流量計普遍采用。
通過（guò）雷諾數（shù）的推導公式不難得出，檢（jiǎn）測時，蒸汽和空氣因為粘度的區別，會引發雷諾（nuò）數存在差異（yì）。參照（zhào）一般實驗情況下三類流體介質（zhì）的工（gōng）況差異，它們的運動粘度詳見表（biǎo）2：
式中：
表征介質密度（dù）；
D 表征管徑；
u 表征流速；
表征介質動力粘度；
v 表征介質（zhì）運動粘度。
通過（guò）以上各參數數據不難發現，水的運動粘度*低，空氣（qì）*高，蒸汽介於二者之間（jiān）。三者比例是1：15：4。所以若（ruò）使雷諾數一致，應使水的流速*小，空氣*大，蒸（zhēng）汽在區間取值。在對儀表的係（xì）數進行（háng）檢定過程中，通常應考（kǎo）慮雷諾數一致時，真實測量過程中的差異性誤差。尤其在蒸汽（qì）的測量時（shí），儀表量程的選型是參照在空（kōng）氣介質下測量獲得的體積流量（liàng）區間與蒸汽的密度乘積（jī），推導出蒸汽的體積流量區（qū）間。這種算法會引發差異性介質下雷諾數的區間（jiān）差異。細（xì）致（zhì）分析上表可得（dé）出，隻要（yào）雷諾數在既定範圍內，檢定過程中並（bìng）不（bú）會由於介質的不同造成較（jiào）大的誤差，這個影響可不考慮。但雷（léi）諾數不可超出規定區間，否則會引發 S r 的（de）較大差異，造（zào）成誤差（chà）。
通過表3不（bú）難發現，要得出二氧化碳（tàn）氣體流（liú）量計基於*低流量的限雷諾數（shù），口徑一致情況下三類介質的*小（xiǎo）流速應滿（mǎn）足1.0：4.0：15.0的大（dà）致比例。所以不可以將空氣介質下的體積（jī）流量區間等（děng）同於蒸汽介質下的數值。
3 蒸汽介質物理（lǐ）特性影響（xiǎng）分析
1873年，荷蘭**物（wù）理學家（jiā）範德瓦爾斯特實驗室（shì）中，發現了水蒸氣（qì）的物理性質，得出氣（qì）體分子間有著一定作用力，繼而推導出氣體的狀態方程以輔助理（lǐ）論驗證，這就是**的範德瓦爾斯特氣體狀態方程。進（jìn）一步研究（jiū）發現，水蒸（zhēng）汽的分子的體積和相互的作用力比較（jiào）大，無法以理（lǐ）想的氣體狀態方程加以表（biǎo）征（zhēng）。參照範德瓦爾斯特公式（5）的計算過程：
式中：
p 為（wéi）壓強；
V 為1摩爾氣體的體積；
R 為普適氣體（tǐ）常數；
a 為度量分子間引力的參數；
b 為1摩爾分子本身包含的體積（jī）之和。
以上公式（5）中因子 a 和 b 的值因氣體的性質不同而存在差異，一般地，氣體的分子間引力參數 a 與 b 分子體積 表述如表3所（suǒ）示。
範德瓦爾斯特提（tí）出，氣（qì）體（tǐ）分子間的吸（xī）引力與間（jiān）距存在負相關性，也就是密度的概（gài）念。把此理論使用在二氧化碳氣體流量計的測量過程中，通過表中的數據不難發現，水蒸汽（qì）分子間的吸引（yǐn）力a的數值較大，相當（dāng）於氧氣與氮氣（qì）的4倍多。所以，在（zài）測量實際氣體時，基（jī）於同等壓力條件，水（shuǐ）的分子（zǐ）間的（de）吸引力的數值較（jiào）蒸汽（qì）與空氣大得多，而蒸汽又顯著大於空氣。用二氧（yǎng）化碳氣體流量計進行測量時，發生體兩側的位置因為流速加大，引起靜（jìng）壓力減小（xiǎo），體積擴張，流體密度隨之減小，而水介質由於分（fèn）子間作用力大，並無明顯膨脹情況。蒸汽的分子間的吸引力比空氣大，所以前者膨（péng）脹性更低，密度變化也更（gèng）小。參考流量的連續（xù）性方程得出，因為空氣密度變化更大，所以它的發生（shēng）體兩側的流量變化較蒸汽介質更大，所以它的儀表係數比蒸汽介質變化（huà）更顯著。而氣體的可壓縮性與等嫡指數是其（qí）內在機理，這和我們的理論研究結（jié）果相互印證。