1、簡介
1.1、(浮動)子流量計(jì)的1個特性及其應(yīng)用
旋轉(zhuǎn)(浮動)子流量計(jì)是常用的氣流測量裝置。它結(jié)構(gòu)簡單,使用維護(hù)方便,對儀器前后直管長度要求低,壓力損失小,測量范圍寬,運(yùn)行可靠,適用性廣。15305232668和其他特性,但其流動特性容易受到流體粘度,密度等的影響。也就是說,相同的轉(zhuǎn)移(浮動)子流量計(jì),當(dāng)在不同的介質(zhì)條件下用于相同的體積流量測量時,可以獲得不同的測量結(jié)果,從而導(dǎo)致測量誤差。
氣體傳輸(浮動)子流量計(jì)的校準(zhǔn)通常由空氣校準(zhǔn)[1]給出。因此,當(dāng)使用它來測量其他氣體介質(zhì)的流量時,必須正確校正儀表刻度。在這方面,當(dāng)介質(zhì)的粘度相似且密度不同時的流量校正公式被給出作為不同介質(zhì)之間的流量轉(zhuǎn)換方法的參考。公式并不復(fù)雜,但要理解公式的背景并靈活掌握應(yīng)用并不容易。
1.2、提出2個問題
航空航天模型通常使用氦氣,氦氣是自然界中密度最低的惰性氣體。在評估某些部分時對于性能指標(biāo),需要氦氣流量計(jì)來測量氦氣流量。
關(guān)于旋轉(zhuǎn)(浮動)子流量計(jì)的氦流量的校準(zhǔn),一些意見主張使用空氣驗(yàn)證,然后根據(jù)[2]的方法將空氣流量值轉(zhuǎn)換成氦氣的流量。然而,當(dāng)我們分別用空氣和氦氣校準(zhǔn)/校準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)(浮動)子流量計(jì)時,我們發(fā)現(xiàn)通過根據(jù)該方法校正氣流比例獲得的氦的理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際氦氣流量很大不同。
為了解釋這個問題,我們選擇LZB-10型氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì),首先用空氣檢查,空氣校準(zhǔn)流量合格,然后用氦氣介質(zhì)校準(zhǔn)五個刻度點(diǎn)的氦氣流量。在相同比例下獲得的氦氣流量和空氣流量的測量值,簡單密度校正后的氦氣流量的計(jì)算值,以及文獻(xiàn)中的理論密度校正系數(shù)和實(shí)際綜合校正系數(shù)[2]校正方法進(jìn)行了比較。中的數(shù)據(jù)。
從表1可以看出:
a)實(shí)際的氦氣流量和氣流量不遵循[2]中描述的簡單密度校正關(guān)系(即,實(shí)際綜合校正因子不等于理論密度校正因子);b)實(shí)際綜合修正系數(shù)小于理論密度修正系數(shù),即實(shí)際氦氣流量小于簡單密度修正后得到的理論氦氣流量;
c)理論密度修正系數(shù)是一個常數(shù),與流速無關(guān),實(shí)際綜合修正系數(shù)與流速有關(guān),隨著流速的減小而減小。
為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象?理論數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的不一致性解釋了問題是什么,是否可以從理論上解釋。所有這些都是本文所關(guān)注的問題。實(shí)際上,這也是對氣體傳遞(浮動)子流量計(jì)的流動特性和流量校正方法的適用性的介質(zhì)相關(guān)原理的深刻理解和重新理解。這一點(diǎn)非常重要,因?yàn)橹挥羞@樣才能真正實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的統(tǒng)一,確保價值傳遞的科學(xué)性和正確性。
為了澄清上述問題,首先要從轉(zhuǎn)移(浮動)子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和工作原理入手。
2、旋轉(zhuǎn)(浮動)分流量計(jì)結(jié)構(gòu)及工作原理簡述[3,4]
旋轉(zhuǎn)(浮動)子流量計(jì)主要由錐管,浮子和支撐連接結(jié)構(gòu)組成。流量刻度直接刻在錐形管上,表明浮子的高度與被測介質(zhì)的流速之間一一對應(yīng)。圖1是它的工作原理示意圖。
轉(zhuǎn)子流量計(jì)工作原理圖
將浮子放置在垂直錐形管中。當(dāng)流體從底部流到頂部時,根據(jù)伯努利方程,在浮子之前和之后形成壓差,并且壓差形成用于升高浮子的力F.當(dāng)F大于浸沒在流體中的浮子的重力Wf時,浮子上升。隨著浮子上升,浮子的最大外徑和錐形管之間的環(huán)形區(qū)域逐漸增大。在流速保持恒定的情況下,流速逐漸減小,并且F逐漸減小直到F和Wf相等,浮子穩(wěn)定在一定高度。同時,考慮到實(shí)際流動條件和理想狀態(tài)之間的差異,獲得了F與流體密度ρ,流速v和浮子的最大橫截面積a之間的關(guān)系。
其中:Cd-從校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中獲得的阻力系數(shù)與浮子的形狀,流體的流動狀態(tài)和流體的物理性質(zhì)有關(guān)。
式中:Vf ---浮子量,m3; ρf---浮子材料密度,kg / m3; g ---重力加速度,m / s2。
從式(1)和式(2)之間的關(guān)系,我們可以得到流量Q的計(jì)算公式為
式中:C ---流量系數(shù); A ---線圈管橫截面積,m3。
對于氣體介質(zhì),ρ遠(yuǎn)小于ρf,因此上述公式簡化為公式(4),這是氣體傳輸(浮動)子流量計(jì)的流量測量原理。
3、用于(?。┺D(zhuǎn)子流量計(jì)特性的介質(zhì)相關(guān)性校正
對于特定的流量計(jì),已經(jīng)確定了與流量計(jì)結(jié)構(gòu)或浮子材料相關(guān)的參數(shù)在等式(4),A,a,Vf,ρf等中,并且注意到存在流量系數(shù)C和密度ρin公式。參數(shù)與被測流體有關(guān)。只要選擇流體介質(zhì),就可以縮放流量計(jì),或者可以通過校準(zhǔn)或流量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)確定浮子高度和實(shí)際流量之間的對應(yīng)關(guān)系。因此,當(dāng)特定的旋轉(zhuǎn)(浮動)子流量計(jì)從工廠運(yùn)輸時,在錐形管上指示應(yīng)用現(xiàn)有水垢的介質(zhì)類型。當(dāng)用于與秤的適用介質(zhì)不同的其他介質(zhì)流量測量時,秤必須合理。糾正。根據(jù)以上分析,轉(zhuǎn)移(浮動)子流量計(jì)的流量特性的介質(zhì)相關(guān)性校正應(yīng)包括密度的校正和流量系數(shù)的校正,并且流量系數(shù)與流體的粘度有關(guān),所以流量系數(shù)校正有時被稱為粘度校正。
3. 1、密度校正
密度校正是[2]中提到的校正方法。比較簡單:根據(jù)公式(4),標(biāo)度介質(zhì)的流速為Q0,密度為ρ0,被測流體的流速為Q1,密度為ρ1。流量與密度的校正公式為
可以看出,流速與密度的平方根成反比,密度的平方根是轉(zhuǎn)移(浮動)子流量計(jì)的密度校正原理。
3.2、流量系數(shù)校正
流量系數(shù)C的校正更復(fù)雜。在理想的情況下(假設(shè)流體是理想的流體,根本沒有粘度;假設(shè)流量是理想的流量而根本沒有能量損失),C是一個常數(shù)等于1的常數(shù)。但是,在實(shí)際應(yīng)用中不太可能出現(xiàn)上述絕對理想狀態(tài)。
實(shí)際上,對于特定的流量計(jì),流量系數(shù)可以表示為雷諾數(shù)Re [4]的函數(shù),雷諾數(shù)表征流體流動時慣性力與粘性力之比的無量綱數(shù)[5] ,從等式(6)定義
其中:υ---流動部分的平均流速,m / s; L-流體的特征長度,m; ν-流體的運(yùn)動粘度,m2 / s。
雷諾數(shù)是流量計(jì)量中的重要參數(shù)。當(dāng)外部幾何條件相似且雷諾數(shù)相同時,流體流動狀態(tài)也幾何相似。這是流體力學(xué)的類似原理。
可以看出,流體粘度對流量系數(shù)(或流量)的影響反映在雷諾數(shù)中。
在流體力學(xué)中,流體的粘度具有兩個不同的表達(dá)項(xiàng),這容易混淆。一個是動態(tài)粘度μ,另一個是等式(6)中的運(yùn)動粘度。兩者之間的關(guān)系和流體的密度ρ由等式(7)給出。
根據(jù)雷諾數(shù)的定義,流體運(yùn)動粘度ν越大,雷諾數(shù)Re越小,表明粘性力對流體流動的影響比慣性力對流體運(yùn)動的影響更大,并且影響流體介質(zhì)粘度對流速的影響較小。忽略;相反,流體運(yùn)動粘度ν越小,雷諾數(shù)Re越大,表明粘性力對流體流動的影響不如慣性力對流體運(yùn)動的影響顯著。由此可以得出結(jié)論,流體粘度對流速的影響程度應(yīng)該基于運(yùn)動粘度ν,并且不應(yīng)該基于動態(tài)粘度μ。這個非常重要。它對氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)的計(jì)量驗(yàn)證具有指導(dǎo)意義。如果使用動態(tài)粘度作為標(biāo)準(zhǔn),則可能導(dǎo)致不切實(shí)際的結(jié)果,因?yàn)榫哂邢嗨苿討B(tài)粘度的氣體的運(yùn)動粘度可能還有很長的路要走。以空氣和氦氣為例,在標(biāo)準(zhǔn)條件下,空氣和氦氣的動態(tài)粘度為[6]:1.81×10-5Pa·s,1.97×10-5Pa·s,應(yīng)該說非常接近。但是,由于兩者的密度差異很大,它們是:1。205 kg / m3,0.663 kg/ m3,兩者的運(yùn)動粘度也大不相同:1。502×10-5m2 / s和11.85×10-5m2 / s。
對于不同的流量計(jì),由于結(jié)構(gòu)本身和浮子的形狀,流量系數(shù)C與雷諾數(shù)Re之間的關(guān)系不相同。很難找到表達(dá)的一般理論公式,通常以曲線的形式通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。描述兩者之間的具體關(guān)系。
在這方面,日本學(xué)者也進(jìn)行了深入的研究。其中,文獻(xiàn)[4]也給出了具有不同浮子形狀的流量計(jì)。
流量系數(shù)C與雷諾數(shù)Re之間的關(guān)系如圖2所示。
從圖中可以看出,對于具有確定浮子形狀的旋轉(zhuǎn)(浮動)子流量計(jì),如果氣態(tài)介質(zhì)的運(yùn)動粘度足夠小,則在雷諾數(shù)Re達(dá)到某一值后,流量系數(shù)C基本保持不變。值。因此,在該區(qū)域(暫時稱為線性區(qū)域)中,不需要進(jìn)行粘度校正(或流量系數(shù)校正),僅需要進(jìn)行濃度校正。然而,對于氦氣,由于其運(yùn)動粘度遠(yuǎn)大于空氣,雷諾數(shù)和空氣的雷諾數(shù)也非常不同,因此工廠只使用空氣標(biāo)準(zhǔn)。:
●在確定浮子的形狀結(jié)構(gòu)的情況下,流量系數(shù)與流體運(yùn)動的粘度有關(guān),運(yùn)動粘度越大,流量系數(shù)越小;
●在正常情況下,同一流量計(jì)的不同流量位置的流量系數(shù)可能不同。流量越小,系數(shù)越小。然而,對于具有較低運(yùn)動粘度的流體,流量系數(shù)與流量標(biāo)度位置之間的相關(guān)性較小;流量系數(shù)與標(biāo)度位置的相關(guān)性取決于浮子的形狀。
該圖進(jìn)一步傳播了以下兩種現(xiàn)象:
●流體粘度對流速的影響程度應(yīng)以運(yùn)動粘度ν為標(biāo)準(zhǔn),不應(yīng)以動態(tài)粘度μ為基礎(chǔ);
●對于氦氣流量,氣流量表的實(shí)際總校正系數(shù)與流量有關(guān),隨著流量的減小而減小。這是對本文介紹中引入的c)現(xiàn)象的解釋。:
4、結(jié)論
總結(jié)以前的理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn),我們對氣體傳遞(浮動)子流量計(jì)的介質(zhì)相關(guān)性有如下理解,而這些點(diǎn)往往是轉(zhuǎn)子流量計(jì)的校準(zhǔn)。在工作中容易被忽視的地方:
●轉(zhuǎn)移(浮動)子流量計(jì)的流量特性的介質(zhì)相關(guān)性反映在兩個方面:密度相關(guān)和運(yùn)動粘度相關(guān)。不同氣體介質(zhì)流速之間的密度校正(轉(zhuǎn)換)和流量系數(shù)校正(轉(zhuǎn)換)分別僅在滿足一定條件的前提下,才能進(jìn)行密度校正(轉(zhuǎn)換);
●應(yīng)正確理解文獻(xiàn)[2]的濃度校正方法中提到的粘度相似性原理。由于流體的粘度被分為動態(tài)粘度和運(yùn)動粘度,因此在理解相似性原理時容易引起模糊。實(shí)際上,相同的流量計(jì),當(dāng)用于測量不同氣體介質(zhì)的流量時,流量系數(shù)的差異是由于介質(zhì)的運(yùn)動粘度的差異,而不是動態(tài)粘度的差異。因此,應(yīng)該使用兩者的運(yùn)動粘度之間的相似性作為是否僅進(jìn)行濃度校正的標(biāo)準(zhǔn),并且不應(yīng)該使用動態(tài)粘度作為標(biāo)準(zhǔn)。否則,這是不科學(xué)的。例如:具有相似動態(tài)粘度和長移動粘度的氦氣和空氣氣流之間的關(guān)系就是一個活生生的例子。
對于與空氣動力粘度差別很大的氣體介質(zhì)(例如氦氣),當(dāng)然不可能僅進(jìn)行密度校正。然而,由于流量計(jì)的整體結(jié)構(gòu)和浮子的形狀的廣泛變化,流量系數(shù)(或粘度)的校正使得難以找到像密度校正那樣的合適的理論公式。在這種情況下,流量計(jì)秤與實(shí)際工作介質(zhì)的重新校準(zhǔn)是一種科學(xué)選擇,因?yàn)檫@允許直接訪問工作介質(zhì)的實(shí)際流量而無需理論轉(zhuǎn)換。
5、結(jié)論
雖然旋轉(zhuǎn)(浮動)子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)非常簡單,但其在流量測量中的應(yīng)用也很常見。然而,由于流量計(jì)量特性的介質(zhì)特性相關(guān)性和流體物理性質(zhì)的廣泛范圍,流量計(jì)量技術(shù)的復(fù)雜性注定。特別是,氣體介質(zhì)的相對高的可壓縮性和熱膨脹使得氣流校準(zhǔn)的技術(shù)難度更大。作為流量計(jì)量工作者,我們比普通流量計(jì)用戶更深入地了解和分析流量計(jì)的流量測量原理和流量特性。
這些只是我們在實(shí)際工作中獲得的一些粗略經(jīng)驗(yàn)和想法。關(guān)于氦氣流量計(jì)流量特性的更深入的研究工作正在等待許多流量計(jì)研究人員的共同努力。
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