利用不同介质进行涡街流量计计量检定的可行性分析

王可嘉

（无锡市检验检测认证研究院，江苏 无锡 214000）

引言

涡街流量计是基于冯卡门发现的涡旋稳定性理论，通过测量稳定的漩涡频率而实现流量计量的，而漩涡产生的频率只与流体流速、斯特罗哈尔数Sr、漩涡发生体的形状和特征宽度b有关。涡街流量计输出与流量成正比的脉冲信号。斯特罗哈尔数Sr与漩涡发生体形状及雷诺数有关，因此雷诺数与涡街流量计有着精密的关联。雷诺数是一种用来表征流体流动情况的无量纲数，物理上表示惯性力和黏性力量级之比，利于雷诺数可区分流体的流动是层流还是紊流。当流体流经的两根管子的外部几何条件相似时，如果雷诺数相等，则对应微团的惯性力和黏性力之比相等，也就是流体流动状态几何相似。实际应用中，在漩涡发生体形状固定时，雷诺数Re在2×104~7×106时，斯特罗哈尔数在此雷诺数范围内，基本是一个常数。本文通过实验方法对涡街流量计在上述雷诺数区间内，在同口径相同温度下，利用不同介质进行计量标定，绘制成曲线，并对实验结果进行分析和解释。

1 测量原理和方法

卡门涡街现象是指流体遇到垂直插入管道中的非流线型阻流件时，会绕过阻流件流动，产生漩涡分离的现象，形成有规则的漩涡列，而左右两侧漩涡的旋转方向是相反的。根据卡门涡街原理，漩涡发生频率与管内平均流速u有以下关系：

式中：b为阻流件宽度，m；u为流经流量计的平均流速，m/s；f为漩涡频率，Hz；Sr为斯特罗哈尔数。

涡街流量计的K系数是单位体积的流体流过流量计时，流量计产生的脉冲数。由（1）式可知，漩涡产生频率与平均流速、漩涡发生体形状及几何尺寸，斯特罗哈尔数相关。而查阅相关资料，经过大量实验证明，斯特罗哈尔数Sr与雷诺数相关关系图如1所示。

由图1可知，当雷诺数在2×104~7×106时，斯特罗哈尔数在此雷诺数范围内，基本是一个常数。由此可知，在漩涡发生体形状和尺寸固定的情况下，只要将雷诺数控制在此区间范围内，流速和频率直接相关，因此，利用不同介质对涡街流量计的K系数进行标定时具有理论基础和可行性的。

雷诺数的计算公式如下：

式中：ρ为流体密度，kg/m3；v为流体流速，m/s；D为流场的特征长度（圆形管道为管道当量直径），m；η为流体的动力黏度，Pa·s。

由式（2）得知，雷诺数取决于流体密度、流体流速、流经管道尺寸、流体的动力黏度。

本文研究目的，是将雷诺数控制在最佳区间内，利用水和空气两种介质对涡街流量计K系数进行计量检定，得出实验数据，从而验证利用不同介质在其他条件相似条件下对同口径同一涡街流量计进行计量检定得出的误差结果是否可信。

2 实验

本次实验采用由江苏省计量科学研究院考核通过的2套社会公用计量标准对同一涡街流量计进行检测。

装置1：静态质量法水流量标准装置（0.1级）；

装置2：音速喷嘴气体流量标准装置（Urel=0.33%，k=2）

被检表：线性和重复性较好的1.0级某厂家DN50涡街流量计（脉冲输出）

对于DN50口径，液体涡街流量计标准流量范围为4～40 m3/h；气体涡街流量计标准流量范围为30～300 m3/h。

流量是指单位时间内流经封闭管道有效截面的流体量，换算成流速。对于DN50口径，液体涡街流量计标准流量范围为0.57～5.66 m/s；气体涡街流量计标准流量范围为4.24～42.44 m/s。

由于本次实验在恒温恒湿实验室内进行，介质温度变化可忽略不计，都在20℃。20℃时，水的密度为998.232 kg/m3；动力黏度为1.005 0×10-3Pa·s；20℃时，空气的密度为1.205kg/m3；动力黏度为1.8107×10-5Pa·s。

计算得出：对于DN50口径，液体涡街流量计雷诺数范围为2.831×104～2.811×105；气体涡街流量计雷诺数范围为1.411×104～1.412×105。由上看出，气体涡街最小流量测量点雷诺数已不在精度保证范围之内，同时，根据JJG 1029—2007《涡街流量计检定规程》，气体涡街流量计在流量点在qt（0.2qmax）以下时，1.0级涡街流量计误差允许达到±2%，此时的K值对我们的研究有不确定性，因此，选取qt（0.2qmax）及以上流量点（包括0.2qmax、0.4qmax、qmax），利用两套标准装置对上述流量点进行检测。

3 实验数据分析

由上页图1可见，在相应雷诺数区间内，用水和气对涡街流量计仪表K系数进行标定的误差仅相差0.5%左右，不会引起明显误差。

表1 雷诺数精度区间内水气检测结果对比

4 结语

通过本次实验，在相应雷诺数区间内，用不同介质对DN50涡街流量计K系数进行标定，误差基本一致。所以，对于1.5级及以下等级涡街流量计的标定，如果受制于条件所限，检测装置不全面，用音速喷嘴气体流量标准装置和静态质量法水流量标准装置互相代替检测是具有可行性的。该实验中仍有一些不足：两套标准装置一套属于正压法检测，一套属于负压法检测，由于检测设备工作方式的一些区别和台位差，存在着一些不确定度，但如果两种检测设备的准确度等级都控制在较高范围内，该不确定度对于精度等级较低的涡街流量计是可以忽略不计的。