蒸汽流量計量中關（guān）於智能（néng）蒸汽流量計的特性分析研究
點擊次數：2117 發布時間：2021-01-07 15:35:50
蒸汽流量量值（zhí）體係的（de）溯源是保證蒸汽流量測量準（zhǔn）確的關鍵。本文基於流體力學、熱力學（xué）以及智能蒸汽流量計旋渦的產生（shēng）機理（lǐ），分析不同介質對智能蒸汽流量計的計量特性的（de）影響，介質粘（zhān）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。但對智能蒸汽流量計的儀表係數影響不大，可忽略其影響。介質粘度的不同（tóng）會導致流（liú）量範圍的不同。該分析將有利於提高智（zhì）能蒸汽流量（liàng）計測量蒸（zhēng）汽流量的（de）計量（liàng）準確度。
1 蒸汽介質的影響因素（sù）
所謂智能蒸汽流量計（jì）(亦（yì）稱旋渦（wō）流量計)，其工作機理是“卡門渦街”，是一類流（liú）體振（zhèn）蕩式的測量儀器。“卡門渦（wō）街”的原理是：待測管道流體（tǐ）中（zhōng）放進一根(或數根)非流線型截麵的旋渦發生體，等到雷諾數到達特定（dìng）數值，在旋渦發生體兩側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。在特定雷諾數範圍之間，旋（xuán）渦的分離頻率同旋渦發生體與管道的幾何尺寸息息相關。數據表明，旋渦的分離頻（pín）率同流量存在正相關性，此（cǐ）頻（pín）率可（kě）通過傳感器獲得。以上智能蒸汽流量（liàng）計與卡（kǎ）門渦街的關係可從圖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 為斯特勞哈爾數；
U 1 為旋（xuán）渦發生體（tǐ）兩側的平均流速（sù），m/s ；
d 為旋渦發生體迎流麵的寬度，m；
U 為被測介（jiè）質來流的平均流速，m/s ；
m 為旋渦發生體兩側弓形麵積與管道橫截麵麵積之比。不可壓（yā）縮流體中，由於流體密度 r 不變，由連續性方程可得到： m = U / U 1 。
式中（zhōng）：K 為智能蒸汽流量計的儀表係數，1 /m 3 。通過式（3）不難看出，儀表（biǎo）係數 K 是智能（néng）蒸（zhēng）汽流量計的（de）計量特性的定量表征，數（shù）據表明，其儀（yí）表係數隻和其（qí）機械結構與斯特勞哈（hā）爾數有關，同來流（liú）流量並（bìng）無相關性（xìng）。
研究（jiū）發現，蒸汽對智能蒸（zhēng）汽流量（liàng）計計量特性存在較大影響。可總結為三個方麵：
*一，從（cóng）公式（3）中能夠得出，機械結構尺寸（cùn） D 、m 、 d 以及斯特（tè）勞哈爾數 S r 這些參數與（yǔ）K值大小存在較大關聯（lián）性。基於物（wù）理原（yuán）理研究發現，在（zài）流（liú）體介（jiè）質條件存在差異情況下，機械結（jié）構尺寸的改變一般是與（yǔ）溫度的改變（biàn）引發的熱脹冷縮效應息息相關。
*二，雷諾數對斯特勞哈爾數（shù） S r 產生較大影響，前者（zhě）又與粘度密切相關，而粘度的差異性又取決於（yú）流體的差異，既而引發斯特勞哈爾數（shù） S r 的區別。
*三，公（gōng）式（3）的推導過程是以不可壓縮流體為前提的，當換作氣體介質（zhì）時（shí），由（yóu）於可壓縮性的區別或許會引（yǐn）發儀表係數產生誤差。以上三個因素對於智能蒸汽流量計的影（yǐng）響將在下（xià）一節進一步探討。
2 蒸汽介質斯特勞哈爾（ěr）數的影響
嚴格而言，斯特（tè）勞哈爾（ěr）數是一種相似準則，是在討論流體力學中物理相似和模化是引（yǐn）入的概念。其是用來表（biǎo）征旋渦頻率和阻流體特征尺寸、流速關係的。在特定雷諾（nuò）數區間中，旋渦的（de）分離頻率和旋渦發生體與管（guǎn）道的幾何尺寸密切相關，換言之斯特勞哈（hā）數（shù）可視為定量。
由圖2可（kě）看出（chū），在 R eD =2×10 4 7×10 6 區間內，斯特勞（láo）哈數是（shì）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（yǔ） R eD 的（de）改變發（fā）生變化，參照1989年日本製訂的智能蒸汽流量計（jì）工（gōng）業標準JISZ8766《智能蒸汽流量計——流量測量方法》。2002年加以修訂（dìng），把智能蒸汽流量計（jì）發生體（tǐ）的固定形式歸為兩種，《標準》規定的旋渦設計，發生體依據插入測量管頂端固定與否區別為標準1型與標準（zhǔn）2型，它們的（de） S r 值存在較小區別，詳見表（biǎo）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%，現階段我國一般（bān）廣泛采用（yòng）標準1型。而標準2型在（zài）日本橫河儀表研製的智能蒸（zhēng）汽流量（liàng）計普（pǔ）遍采用。
通過雷諾數的推導公式不難（nán）得出，檢測時，蒸汽和空氣因為粘度的區別，會引發雷諾數存在差異。參照一般（bān）實驗情況下三類流體介質的工況差異，它們的運（yùn）動粘度詳見表2：
式中：
表征介（jiè）質密度；
D 表征管徑；
u 表（biǎo）征流速；
表征介（jiè）質動力粘度；
v 表征介質運動（dòng）粘度。
通過以上各參數數據不難發現，水的運動粘度*低，空氣*高，蒸汽（qì）介於二者之間。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，蒸汽在區間取值。在對儀表的（de）係數進行檢定過（guò）程中，通常應（yīng）考慮（lǜ）雷諾數一（yī）致時（shí），真實測量過程中的差異性誤差（chà）。尤其（qí）在蒸汽（qì）的測量時，儀（yí）表量程的選型是參照在空氣介質下測量獲得的體積（jī）流量（liàng）區間（jiān）與蒸汽的密度乘積，推導出蒸汽（qì）的體積流量區間。這（zhè）種算法會引發差異性（xìng）介質下雷諾數的（de）區間差異（yì）。細致分（fèn）析上表可（kě）得出，隻要雷諾（nuò）數在既定範圍（wéi）內（nèi），檢定過（guò）程中並不會由於介質的不同（tóng）造成較大的誤差，這（zhè）個影響可不考慮。但（dàn）雷諾（nuò）數不可超出規定區間，否（fǒu）則（zé）會（huì）引發（fā） S r 的較大差異，造成誤差。
通過表（biǎo）3不難發現，要得出（chū）智能蒸汽流量計（jì）基於*低流量的限雷諾數（shù），口徑（jìng）一致情況下三類介質的*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下的體積流量區間等同於蒸汽介質下的（de）數值。
3 蒸汽介質（zhì）物理特性影（yǐng）響分析
1873年，荷蘭**物理學家範德瓦爾斯特實驗（yàn）室中，發現了水蒸氣的物理性質，得出氣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論驗證，這就是**的範德瓦爾斯特氣體狀態方程。進一步研究發現，水蒸汽的分子（zǐ）的體積和相互的作用力比較大，無法以理想的氣體狀態方程加（jiā）以表征。參照範德瓦爾斯特公式（5）的計（jì）算（suàn）過程：
式中：
p 為壓強；
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（zǐ）間（jiān）引力的參數；
b 為1摩爾分（fèn）子本身包含的體積之和（hé）。
以（yǐ）上（shàng）公式（5）中因子 a 和 b 的值因氣（qì）體的性質（zhì）不同（tóng）而存（cún）在差（chà）異，一般地，氣體（tǐ）的分子間引力參數 a 與 b 分子體積 表述如表3所示。
範德瓦爾斯特提出（chū），氣體分子間的吸引力與間距存在負相關性，也就是密度的概念。把此理論使用在智能蒸汽流量計的測量過程中（zhōng），通過表中的數據不難發現，水蒸汽分子間的吸引力a的數（shù）值較大，相當於氧氣與氮氣的4倍多。所以，在測量實際（jì）氣（qì）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多，而蒸汽又（yòu）顯著大於空氣。用智能蒸汽流量計進行（háng）測量時，發生體兩（liǎng）側（cè）的位置因為（wéi）流速加大，引起靜壓力減小，體積擴張，流體密度隨之減小，而水介質由於分子間作用力大，並無（wú）明顯膨脹情況。蒸汽的分子間的吸引力（lì）比空氣大，所（suǒ）以前者膨脹性更低（dī），密度變化也（yě）更小。參考流量的連（lián）續性方程得出，因為空氣密度變化更大（dà），所以它的發生體兩（liǎng）側的流量變化較蒸汽介質更大，所以它的（de）儀表係（xì）數比蒸汽介質變（biàn）化更（gèng）顯著。而氣體的可壓縮性與（yǔ）等嫡指數是其內在機理（lǐ），這和我們的理論（lùn）研（yán）究結果相互（hù）印證。
1 蒸汽介質的影響因素（sù）
所謂智能蒸汽流量計（jì）(亦（yì）稱旋渦（wō）流量計)，其工作機理是“卡門渦街”，是一類流（liú）體振（zhèn）蕩式的測量儀器。“卡門渦（wō）街”的原理是：待測管道流體（tǐ）中（zhōng）放進一根(或數根)非流線型截麵的旋渦發生體，等到雷諾數到達特定（dìng）數值，在旋渦發生體兩側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。在特定雷諾數範圍之間，旋（xuán）渦的分離頻率同旋渦發生體與管道的幾何尺寸息息相關。數據表明，旋渦的分離頻（pín）率同流量存在正相關性，此（cǐ）頻（pín）率可（kě）通過傳感器獲得。以上智能蒸汽流量（liàng）計與卡（kǎ）門渦街的關係可從圖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 為斯特勞哈爾數；
U 1 為旋（xuán）渦發生體（tǐ）兩側的平均流速（sù），m/s ；
d 為旋渦發生體迎流麵的寬度，m；
U 為被測介（jiè）質來流的平均流速，m/s ；
m 為旋渦發生體兩側弓形麵積與管道橫截麵麵積之比。不可壓（yā）縮流體中，由於流體密度 r 不變，由連續性方程可得到： m = U / U 1 。
式中（zhōng）：K 為智能蒸汽流量計的儀表係數，1 /m 3 。通過式（3）不難看出，儀表（biǎo）係數 K 是智能（néng）蒸（zhēng）汽流量計的（de）計量特性的定量表征，數（shù）據表明，其儀（yí）表係數隻和其（qí）機械結構與斯特勞哈（hā）爾數有關，同來流（liú）流量並（bìng）無相關性（xìng）。
研究（jiū）發現，蒸汽對智能蒸（zhēng）汽流量（liàng）計計量特性存在較大影響。可總結為三個方麵：
*一，從（cóng）公式（3）中能夠得出，機械結構尺寸（cùn） D 、m 、 d 以及斯特（tè）勞哈爾數 S r 這些參數與（yǔ）K值大小存在較大關聯（lián）性。基於物（wù）理原（yuán）理研究發現，在（zài）流（liú）體介（jiè）質條件存在差異情況下，機械結（jié）構尺寸的改變一般是與（yǔ）溫度的改變（biàn）引發的熱脹冷縮效應息息相關。
*二，雷諾數對斯特勞哈爾數（shù） S r 產生較大影響，前者（zhě）又與粘度密切相關，而粘度的差異性又取決於（yú）流體的差異，既而引發斯特勞哈爾數（shù） S r 的區別。
*三，公（gōng）式（3）的推導過程是以不可壓縮流體為前提的，當換作氣體介質（zhì）時（shí），由（yóu）於可壓縮性的區別或許會引（yǐn）發儀表係數產生誤差。以上三個因素對於智能蒸汽流量計的影（yǐng）響將在下（xià）一節進一步探討。
2 蒸汽介質斯特勞哈爾（ěr）數的影響
嚴格而言，斯特（tè）勞哈爾（ěr）數是一種相似準則，是在討論流體力學中物理相似和模化是引（yǐn）入的概念。其是用來表（biǎo）征旋渦頻率和阻流體特征尺寸、流速關係的。在特定雷諾（nuò）數區間中，旋渦的（de）分離頻率和旋渦發生體與管（guǎn）道的幾何尺寸密切相關，換言之斯特勞哈（hā）數（shù）可視為定量。
由圖2可（kě）看出（chū），在 R eD =2×10 4 7×10 6 區間內，斯特勞（láo）哈數是（shì）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（yǔ） R eD 的（de）改變發（fā）生變化，參照1989年日本製訂的智能蒸汽流量計（jì）工（gōng）業標準JISZ8766《智能蒸汽流量計——流量測量方法》。2002年加以修訂（dìng），把智能蒸汽流量計（jì）發生體（tǐ）的固定形式歸為兩種，《標準》規定的旋渦設計，發生體依據插入測量管頂端固定與否區別為標準1型與標準（zhǔn）2型，它們的（de） S r 值存在較小區別，詳見表（biǎo）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%，現階段我國一般（bān）廣泛采用（yòng）標準1型。而標準2型在（zài）日本橫河儀表研製的智能蒸（zhēng）汽流量（liàng）計普（pǔ）遍采用。
通過雷諾數的推導公式不難（nán）得出，檢測時，蒸汽和空氣因為粘度的區別，會引發雷諾數存在差異。參照一般（bān）實驗情況下三類流體介質的工況差異，它們的運（yùn）動粘度詳見表2：
式中：
表征介（jiè）質密度；
D 表征管徑；
u 表（biǎo）征流速；
表征介（jiè）質動力粘度；
v 表征介質運動（dòng）粘度。
通過以上各參數數據不難發現，水的運動粘度*低，空氣*高，蒸汽（qì）介於二者之間。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，蒸汽在區間取值。在對儀表的（de）係數進行檢定過（guò）程中，通常應（yīng）考慮（lǜ）雷諾數一（yī）致時（shí），真實測量過程中的差異性誤差（chà）。尤其（qí）在蒸汽（qì）的測量時，儀（yí）表量程的選型是參照在空氣介質下測量獲得的體積（jī）流量（liàng）區間（jiān）與蒸汽的密度乘積，推導出蒸汽（qì）的體積流量區間。這（zhè）種算法會引發差異性（xìng）介質下雷諾數的（de）區間差異（yì）。細致分（fèn）析上表可（kě）得出，隻要雷諾（nuò）數在既定範圍（wéi）內（nèi），檢定過（guò）程中並不會由於介質的不同（tóng）造成較大的誤差，這（zhè）個影響可不考慮。但（dàn）雷諾（nuò）數不可超出規定區間，否（fǒu）則（zé）會（huì）引發（fā） S r 的較大差異，造成誤差。
通過表（biǎo）3不難發現，要得出（chū）智能蒸汽流量計（jì）基於*低流量的限雷諾數（shù），口徑（jìng）一致情況下三類介質的*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下的體積流量區間等同於蒸汽介質下的（de）數值。
3 蒸汽介質（zhì）物理特性影（yǐng）響分析
1873年，荷蘭**物理學家範德瓦爾斯特實驗（yàn）室中，發現了水蒸氣的物理性質，得出氣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論驗證，這就是**的範德瓦爾斯特氣體狀態方程。進一步研究發現，水蒸汽的分子（zǐ）的體積和相互的作用力比較大，無法以理想的氣體狀態方程加（jiā）以表征。參照範德瓦爾斯特公式（5）的計（jì）算（suàn）過程：
式中：
p 為壓強；
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（zǐ）間（jiān）引力的參數；
b 為1摩爾分（fèn）子本身包含的體積之和（hé）。
以（yǐ）上（shàng）公式（5）中因子 a 和 b 的值因氣（qì）體的性質（zhì）不同（tóng）而存（cún）在差（chà）異，一般地，氣體（tǐ）的分子間引力參數 a 與 b 分子體積 表述如表3所示。
範德瓦爾斯特提出（chū），氣體分子間的吸引力與間距存在負相關性，也就是密度的概念。把此理論使用在智能蒸汽流量計的測量過程中（zhōng），通過表中的數據不難發現，水蒸汽分子間的吸引力a的數（shù）值較大，相當於氧氣與氮氣的4倍多。所以，在測量實際（jì）氣（qì）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多，而蒸汽又（yòu）顯著大於空氣。用智能蒸汽流量計進行（háng）測量時，發生體兩（liǎng）側（cè）的位置因為（wéi）流速加大，引起靜壓力減小，體積擴張，流體密度隨之減小，而水介質由於分子間作用力大，並無（wú）明顯膨脹情況。蒸汽的分子間的吸引力（lì）比空氣大，所（suǒ）以前者膨脹性更低（dī），密度變化也（yě）更小。參考流量的連（lián）續性方程得出，因為空氣密度變化更大（dà），所以它的發生體兩（liǎng）側的流量變化較蒸汽介質更大，所以它的（de）儀表係（xì）數比蒸汽介質變（biàn）化更（gèng）顯著。而氣體的可壓縮性與（yǔ）等嫡指數是其內在機理（lǐ），這和我們的理論（lùn）研（yán）究結果相互（hù）印證。