發布日期：2022-04-27 點擊率：71
摘 要： 為了考察現場實際安裝環境和使用條件對渦街流量計測量精度的影響，對DN100渦街流量計進行了基準實驗、上游單個90°彎頭和全開閘閥共23組實流實驗。實驗介質為水，雷諾數范圍3.5×104～5.3×105。以平均儀表系數的相對誤差、儀表系數的線性度和重復性作為評價指標，最終給出了渦街流量計在2種安裝條件下的推薦前后直管段長度：雷諾數在1.0×105～5.3×105單彎頭時，前直管段長度至少5D，后直管段長度至少3D；全開閘閥時，前直管段長度至少5D，后直管段長度至少5D，此時彎頭和閘閥對渦街流量計的測量影響才能忽略。雷諾數在 3.5×104～5.3×105時，小流量點處儀表系數的嚴重下降導致渦街流量計在2種安裝條件下均無法達到測量精度。
關鍵字： 渦街流量計 單彎頭 閘閥 儀表系數 線性度 重復性
渦街流量計是一種基于流體振蕩原理的新型速度式流量儀表，以其對流體物性變化的不敏感性、高可靠性和高精度等特點而被廣泛應用于工業現場。自20世紀60年代末誕生以來，渦街流量計發展迅速，國內外學者分別對旋渦發生體形狀、信號檢測方式以及數字信號處理方法等方面展開了大量研究工作，并取得了顯著成果。隨著渦街流量計的推廣和使用，其安裝影響越來越受到人們的重視，安裝環境、使用條件對其測量精度的影響成為需要關注的問題。
英國Surrey大學和英國國家工程實驗室對上游安裝單90°彎頭、半開閘閥、不同平面的2個90°彎頭3種阻流件情況分別進行了實驗研究，討論渦街流量計安裝在其下游的測量精度。日本國家計量科學研究院的Takamto等通過實流實驗方法，對4種不同形狀的旋渦發生體在6種阻流件安裝條件下的測量性能進行研究，通過分析每種阻流件情況下儀表系數的相對誤差，最終給出了安裝每種阻流件時保證渦街流量計測量精度所需的最短上游直管段長度，但對后直管段長度并未提及。此外，我國機械行業標準（JB/T9249—1999）中對渦街流量計在不同阻流件情況下的前后直管段長度也作了相應規定，但是規定中所推薦的直管段均較長，一般渦街流量計現場安裝條件根本無法滿足。而國外文章中給出的實驗結果是否具有普適性，能否直接拿來使用值得推敲。目前國內針對渦街流量計安裝使用條件的實驗研究鮮見報道。本文針對100mm口徑的渦街流量計開展了基準實驗、上游單90°彎頭和全開閘閥影響的實驗研究，通過實驗數據對平均儀表系數的相對誤差、線性度和重復性進行分析與評價，最終給出了上游單彎頭、全開閘閥條件下渦街流量計安裝的前后直管段長度建議。
1 實驗裝置
實驗是在天津大學天津市過程參數檢測與控制重點實驗室的水流量標準裝置上完成的，實驗管徑100mm，圖1為實驗裝置示意。水泵連續將水池里的水送入高位水塔，水塔通過溢流來保持水壓的恒定。實驗時，水從水塔的下水管引入到實驗管道，依次流過標準表電磁流量計、實驗樣機渦街流量計，最后回到水池，通過調節閥門開度進行流量調節。實驗采用計算機控制，實現對電磁流量計、渦街流量計輸出信號的實時采集與處理。水流量標準裝置精度可達0.1%。
圖1 實驗裝置示意
實驗樣機為橫河DY100-EBLBA1-2D一體型渦街流量計，口徑100mm。該樣機最大特點是采用了基于頻譜分析的數字信號處理方法，保證了在較寬的測量范圍內具有較高精度?？蓽y流量范圍7.5～248m3/h，精度可達1%。但是，受實驗裝置所能提供的流量范圍限制，最小流量只能做到10m3/h，最大流量可以達到200m3/h。由于管道改造后壓損增大，最終流量上限只能達到150m3/h左右，所以進行實流實驗測試的流量范圍為10～150m3/h。
2 實驗方案設計
表1給出了此次研究的實驗方案設計，共進行基準實驗、上游單彎頭和全開閘閥3大類共23組實流實驗，均在圖1所示的實驗段X處進行。其中，基準實驗是所有阻流件實驗的參考基準，即認為渦街流量計入口為充分發展湍流流動，為其最佳使用條件，此時渦街流量計前直管段長度為100D（D為管道直徑，D＝100mm），后直管段長度為10D。對于單彎頭和全開閘閥的實驗需要對裝置進行改造后才能進行，圖2所示為彎頭和閘閥實驗管道及組件的連接示意。
圖2 彎頭和閘閥實驗管道及組件連接示意
通過不同管道組件的組合來實現不同前后直管段長度的實驗。如表1所示，彎頭實驗進行前直管段分別為1D、3D、5D、10D、15D、20D，后直管段為3D、5D共12組實驗，后直管段下游安裝一個全開閘閥，作為后直管段長度的結束。同理，全開閘閥實驗進行5種前直管段長度、2種后直管段長度共10組實驗。與彎頭實驗不同的是，為了消除閘閥上游阻流件（彎頭）對流場的影響，在實驗段X上游設置了30D長的直管段，這樣保證了與基準實驗比較的差異均由閘閥安裝引起。圖3和圖4分別為彎頭實驗前直管段20D、后直管段3D安裝條件時和全開閘閥實驗前直管段15D、后直管段5D安裝條件時的管道現場安裝示意。
3 實驗結果分析與討論
3.1 實驗評價指標
根據渦街流量計檢定規程（JJG1029—2007），當其安裝滿足充分發展的前后直管段要求時，評價渦街流量計測量精度的指標有量程比、線性度等。針對本文所討論的上游存在阻流件且前后直管段改變的情況，評價指標包括平均儀表系數的相對誤差、儀表系數線性度和重復性。
1）平均儀表系數的相對誤差
每個流量檢定點，在第i次檢定時間內，渦街流量計輸出脈沖數為Ni，流經渦街流量計的體積流量為Vi，則該流量點下第i次檢定的儀表系數為
3.2 實驗數據分析
根據實驗裝置所能達到的最寬流量范圍，進行了單彎頭和全開閘閥的實流實驗.圖5和圖6分別為彎頭實驗和閘閥實驗渦街流量計儀表系數K隨流量Q變化的曲線。圖中只給出了流量范圍在24～150m3/h時相同后直管段情況下改變前直管段長度時的實驗結果，虛線位置流量為28m3/h。需要說明的是，通過實流實驗發現，該流量點是渦街流量計測量性能突變的一個分界點。小于該流量時渦街流量計的測量性能變差，且流量越低儀表系數下降越嚴重，因此圖中僅給出24m3/h情況作為說明。表2列出了基于第3.1節的評價指標計算出的在分界流量點兩側時渦街流量計測量性能數據。
圖5 彎頭實驗數據
從圖5和圖6中可以看出，當流量在28～150m3/h時，無論是單彎頭還是閘閥，實驗數據都具有以下特征。
圖6 閘閥實驗數據
（1）在相同后直管段條件下，渦街流量計儀表系數隨流量的減小而逐漸增大，但在接近下限流量處會有一突降。從渦街流量計工作特性來分析，出現突降點是不合理的。分析可能造成的原因，小流量時渦街信號微弱不易檢測，加之實驗裝置管道振動等干擾因素，會使渦街流量計輸出脈沖信號不穩定，造成丟波或漏檢。雖然儀表系數的突降會造成渦街流量計測量性能變差，但從表2的數據可以看出，在前直管段大于等于5D時，測量性能仍可保證，即渦街流量計仍處于正常工作狀態。
（2）在相同后直管段條件下，隨著前直管段的縮短，渦街流量計平均儀表系數逐漸增大，即曲線逐漸上移。
（3）與基準實驗相比，直管段長度改變對小流量造成的影響比大流量時要大，即小流量時儀表系數偏差更大。
（4）當前直管段較長時，后直管段對儀表系數的影響不大；隨著前直管段逐漸縮短，后直管段越短造成平均儀表系數的偏差越大（見表2）。
表2 實驗數據評價
對于流量小于28m3/h的情況，如圖5和圖6所示在24m3/h流量點，前直管段越短，儀表系數下降越嚴重，造成在整個測量范圍（24～150m3/h）內儀表系數非線性越嚴重，即線性度越差。此外，前直管段越短，重復性越差.如表2所示，當流量計上游為單彎頭時，只有前直管段為20D時能夠滿足測量精度要求。當為全開閘閥時，由于儀表系數非線性嚴重，所討論的直管段長度均不能滿足測量要求。由于在24m3/h時渦街流量計受安裝條件影響已顯現出較差的測量性能，無法正常工作，因此更低流量點情況在本文不再討論。
3.3 安裝使用建議
表2給出了23組實驗的數據記錄，并基于第3.1節的評價指標和表3給出的評價方法對數據進行了評價，給出了安裝使用渦街流量計的建議.其中“√”表示安裝的前后直管段合適；“×”表示安裝的前后直管段不合適，上游阻流件對渦街流量計的影響不能忽略。
僅對流量在28～150m3/h情況給出評價結論：根據表3評價方法，如表2所示，對于上游安裝單彎頭，前直管段分別為2D、3D，后直管段分別為3D、5D共4種情況時，彎頭對渦街流量計的測量影響不能忽略；對于上游安裝全開閘閥，除了以上4種前后直管段組合情況外，當前直管段為5D，后直管段為3D時，閘閥對渦街流量計的測量影響均不能忽略。
表3 評價方法
4 與國外相關實驗數據的比較
將本實驗結果與日本國家計量科學研究院Takamto等對渦街流量計安裝影響研究的實驗結果進行比較，圖7所示為渦街流量計在彎頭和全開閘閥下游的實驗結果，橫軸為渦街流量計前直管段長度，以管道直徑D為最小單位，縱軸為平均儀表系數的相對誤差。
圖7 渦街流量計安裝條件影響實驗數據
1）研究內容不同
Takamto等研究了4種旋渦發生體的渦街流量計在2種安裝角度和2個雷諾數下前直管段的影響，圖7中所示結果包含了多種因素，是一個綜合評價。2個雷諾數分別為3.0×105和7.0×106。
本實驗針對一種典型渦街流量計在常規安裝角度（水平安裝，信號轉換器在上方）下不同前后直管段長度組合進行研究，針對性更強.實驗雷諾數范圍為3.5×104～5.3×105。
2）評價指標不同
Takamto等的研究中只有平均儀表系數的相對誤差作為評價指標，且僅給出了相對誤差的分布圖（圖7），沒有關注在整個測量范圍內儀表系數的特性。
本實驗中除關注平均儀表系數相對誤差外，還對流量范圍內儀表系數的重復性和線性度進行了評價，從圖5和圖6中可以很直觀地看出隨流量變化儀表系數的變化規律。
3）結論不同
Takamto等的結論是：當上游存在單彎頭阻流件時，渦街流量計所需最短上游直管段長度為13D；當上游存在全開閘閥阻流件時，渦街流量計所需最短上游直管段長度為5D。
本實驗研究的結論：當流量在28～150m3/h，渦街流量計上游存在單彎頭時，其所需最短上游直管段長度為5D，下游直管段長度為3D；上游存在全開閘閥時，渦街流量計所需最短上游直管段長度為5D，下游直管段長度為5D。當流量小于28m3/h時，渦街流量計儀表系數明顯下降，已無法正常工作。這說明，阻流件對小流量測量性能影響嚴重，若仍想保證測量精度，則需犧牲流量測量范圍。
5 結語
通過實流實驗定量研究了渦街流量計上游安裝單彎頭和全開閘閥2種情況時對其測量性能的影響。共進行了包括基準實驗在內23組實流實驗，雷諾數范圍為3.5×104～5.3×105。以平均儀表系數的相對誤差、儀表系數的線性度和重復性作為評價指標，最終給出了渦街流量計在2種安裝條件下的推薦前后直管段長度：
當雷諾數為1.0×105～5.3×105，單彎頭時，前直管段長度需滿足至少5D，后直管段長度至少3D；全開閘閥時，前直管段長度需滿足至少5D，后直管段長度至少5D，此時阻流件對渦街流量計的測量影響才能忽略。
當雷諾數小于1.0×105時，由于小流量點的儀表系數嚴重減小，造成整個流量范圍內渦街流量計的測量性能變差：單彎頭時，只有前直管段為20D時可以保證測量精度；全開閘閥時，前直管段15D已無法滿足精度要求。因此當渦街流量計安裝在如彎頭、閘閥等非理想管道條件時，其在低雷諾數時的測量性能需要特別關注。
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