基于压力测量的涡街流量计的开发精要.docx

用于壁面压力测量的质量涡流计的发展 李志勇1，孙志强2 （1.中南大学能源科学与工程学院 中国长沙，410083 2.中南大学工业过程节能湖南重点实验室 中国长沙，410083 测量科学评论 2013年1月 第13卷 邮箱: zqsun@csu.edu.cn） 摘要：在理解和控制流体流动过程中，质量流量测量是至关重要的。然而，可靠的质量流量计的真实性不能充分地满足需求。在这篇论文里我们开发了一个实用性较强的涡流质量流量计用于壁面压力的测量。质量流动速度（质量流率）的测量系数可以通过在雷诺数为1.3×103到9.8×103的空气中的实验中获得。为了进一步扩大下限，将介绍一个与雷诺数相关的校正系数用于涡流质量流量计。这个结果说明涡流质量流量计的相对误差主要在±5℅以内。在工程领域内，这个设备能满足在质量流量测量需求的多样性。 关键词：质量流量测量，涡街流量计，涡街，壁压，质量流量的仪表系数，修正系数 1.说明 在过去的二十年里，质量流量速度的测量在商业贸易包括流体输送领域已经成为一个基本的需求。[1]这在一定程度上是由于产品价值的增加[2]，但是也是由于体积流量测量的不恰当性日益显现出来。[3]然而，到目前为止，质量流量测量不能很充分地满足需求。[4] 质量流量测量一般分为直接测量和间接测量。用单一的仪表来直接测量质量流量是很少见的。在这之前，直接质量流速已经通过测量科里奥利加速度（科氏加速度），角动量，或者由加热而产生的升温实现了。[5],[6] 在工程实践中，间接质量流量的测量是被广泛接受的。因为它装置简单，维修低廉。显然质量流速可以通过体积流速乘以流体密度来实现。此外，间接质量流速的测量可以通过恰当地操纵来自多传感器的输出信号来完成。[7]间接质量流速测量的主要缺点在于需要恰当的与之相配的补偿算法。因此开发可靠的质量流量计是流量测量界基本利益。自从20世纪60年代后期引入，涡流流量计已被公认为有希望的流量测量设备同时被广泛接受测量气体，液体，甚至一些多相流的流量。[8]涡街流量计的测量原理是基于卡门涡街的现象，其中，涡流的频率正比于平均流体流速。[9],[10]由于对流体的大部分参数包括密度，温度和压力的测量灵敏度差，涡街流量计被认为是质量流量测量一个潜在的解决方案。第一次尝试用涡街流量计获得质量流量的是伊藤和奥尔。他们把升力作用于涡街发生体的涡街频率，而且产生的信号正比于质量流量。张明等人利用单一传感器得到了涡街频率与压降钝体从墙壁压差与压降的商除以涡街频率的流量直接相关。[12]孙结合文丘里管和涡街流量计的使用完成了流量均匀气液泡状流的质量流速的测量。[13] 原则上，这些调查建立在用涡街流量计测量质量流量的基础上。然而，根据作者的知识，关于涡街流量计装置的设计在研究文献中尚未见报道。 本文旨在开发具有使用价值的原型涡街流量计。涡街流量计的测量性能在雷诺数为1.3×103到9.8×103的钟罩式气体流量标定系统中测得。通过实验获得了质量流量的仪表系数。[12]在低雷诺系数下建立了恰当的相关修正系数。最后对所研制的涡街流量计的测量误差进行了分析和讨论。 2.基本原理和研究方法 A．基于涡流的质量流量测量 如果两个开孔分别放置在钝体的上游和下游，如图1所示，检测到的壁压差包含流体振动和涡街引起的压降。从壁压差的波动，我们可以获得涡街频率。 f=StUmd (1) m=1-2πdD1-dD2+arcsindD (2) 其中， St------无量纲斯特劳哈尔数;U------平均流体流速；m------面积比； d------钝体宽度；D------流道内径 图1.涡街流量计的原理图：(a).整体结构；(b).钝体的尺寸（单位：毫米） 同时，用平均压差降代表压降，可以写成： ?P=12CpρU2 (3) 其中，Cp------压力系数； ρ------流体密度； 用（3）除以（1），我们可以得到 ΔPf=Cpmd2St(ρU) （4） 根据这个定义，一个横截面积为A的管道的质量流速为： qm=ρUA （5） 用（4）中的ρU替换（5），得到 qm=KmΔPf （6） Km=2Amd?StCp （7） 其中， Km------质量流量的仪表系数 对于一个特