摘要:為了考察現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝環(huán)境和使用條件對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量精度的影響，對(duì)DN100渦街流量計(jì)進(jìn)行了基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、上游單個(gè)90°彎頭和全開閘閥共23組實(shí)流實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水，雷諾數(shù)范圍3.5x104~5.3x105以平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差、儀表系數(shù)的線性度和重復(fù)性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終給出了渦街流量計(jì)在2種安裝條件下的推薦前后直管段長度:雷諾數(shù)在1.0x104~5.3x105單彎頭時(shí)，前直管段長度至少5D，后直管段長度至少3D;全開閘閥時(shí)，前直管段長度至少5D,后直管段長度至少5D,此時(shí)彎頭和閘閥對(duì)渦街流量計(jì)的測(cè)量影響才能忽略、雷諾數(shù)在3.5x104~5.3x105時(shí)，小流量點(diǎn)處儀表系數(shù)的嚴(yán)重下降導(dǎo)致渦街流量計(jì)在2種安裝條件下均無法達(dá)到測(cè)量精度.
渦街流量計(jì)是一種基于流體振蕩原理的新型速度式流量儀表,以其對(duì)流體物性變化的不敏感性、可靠性和精度高特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng).自20世紀(jì)60年代末誕生以來,渦街流量計(jì)發(fā)展迅速，國內(nèi)外學(xué)者分別對(duì)旋渦發(fā)生體形狀、信號(hào)檢測(cè)方式以及數(shù)字信號(hào)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(jì)的推廣和使用，其安裝影響越來越受到人們的重視,安裝環(huán)境、使用條件對(duì)其測(cè)量精度的影響成為需要關(guān)注的問題.
對(duì)上游安裝單90°彎頭、半開閘閥、不同平面的2個(gè)90°彎頭3種阻流件情況分別進(jìn)行了探究"，討論渦街流量計(jì)安裝在其下游的測(cè)量精度.通過實(shí)流實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)4種不同形狀的旋渦發(fā)生體在6種阻流件安裝條件下的測(cè)量性能進(jìn)行探究,通過分析每種阻流件情況下儀表系數(shù)的相對(duì)誤差,最終給出了安裝每種阻流件時(shí)保證渦街流量計(jì)測(cè)量精度所需的最短上游直管段長度，但對(duì)后直管段長度并未提及.此外,機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T9249-1999)中對(duì)渦街流量計(jì)在不同阻流件情況下的前后直管段長度也作了相應(yīng)規(guī)定,但是規(guī)定中所推薦的直管段均較長,一般渦街流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件根本無法滿足.而國外文章中給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否具有普適性,能否直接拿來使用值得推敲.目前國內(nèi)針對(duì)渦街流量計(jì)安裝使用條件的實(shí)驗(yàn)研究鮮見報(bào)道.針對(duì)100mm口徑的渦街流量計(jì)開展了基準(zhǔn)、上游單90°彎頭和全開閘閥影響的實(shí)驗(yàn)研究,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差、線性度和重復(fù)性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià),最終給出了上游單彎頭、全開閘閥條件下渦街流量計(jì)安裝的前后直管段長度建議.
1實(shí)驗(yàn)裝置
過程參數(shù)檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上完成的，實(shí)驗(yàn)管徑100mm,圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意.水泵連續(xù)將水池里的水送人高位水塔,水塔通過溢流來保持水壓的恒定.實(shí)驗(yàn)時(shí)，水從水塔的下水管引人到實(shí)驗(yàn)管道,依次流過標(biāo)準(zhǔn)表電磁流量計(jì)、實(shí)驗(yàn)樣機(jī)渦街流量計(jì),最后回到水池,通過調(diào)節(jié)閥門開度進(jìn)行流量調(diào)節(jié).實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與處理.水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置精度可達(dá)0.1%.
一體型渦街流量計(jì)，口徑100mrm.該樣機(jī)最大特點(diǎn)是采用了基于頻譜分析的數(shù)字信號(hào)處理方法，保證了在較寬的測(cè)量范圍內(nèi)具有較高精度.可測(cè)流量范圍7.5~248m3/h,精度可達(dá)1%.但是,受實(shí)驗(yàn)裝置所能提供的流量范圍限制，最小流量只能做到10m3/n,最大流量可以達(dá)到200m3/h.由于管道改造后壓損增大,最終流量上限只能達(dá)到150m/h左右,所以進(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn)測(cè)試的流量范圍為10~150m3/h.
2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
表1給出了此次研究的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì),共進(jìn)行基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、上游單彎頭和全開閘閥3大類共23組實(shí)流實(shí)驗(yàn),均在圖1所示的實(shí)驗(yàn)段X處進(jìn)行.其中,基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)是所有阻流件實(shí)驗(yàn)的參考基準(zhǔn)，即認(rèn)為渦街流量計(jì)人口為充分發(fā)展湍流流動(dòng),為其最佳使用條件，此時(shí)渦街流量計(jì)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(duì)于單彎頭和全開閘閥的實(shí)驗(yàn)需要對(duì)裝置進(jìn)行改造后才能進(jìn)行，圖2所示為彎頭和閘閥實(shí)驗(yàn)管道及組件的連接示意.
通過不同管道組件的組合來實(shí)現(xiàn)不同前后直管段長度的實(shí)驗(yàn).如表1所示，彎頭實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(shí)驗(yàn),后直管段下游安裝-一個(gè)全開閘閥，作為后直管段長度的結(jié)束.同理,全開閘閥實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5種前直管段長度、2種后直管段長度共10組實(shí)驗(yàn).與彎頭實(shí)驗(yàn)不同的是,為了消除閘閥上游阻流件(彎頭)對(duì)流場(chǎng)的影響，在實(shí)驗(yàn)段X.上游設(shè)置了30D長的直管段,這樣保證了與基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)比較的差異均由閘閥安裝引起.圖3和圖4分別為彎頭實(shí)驗(yàn)前直管段20D、后直管段3D安裝條件時(shí)和全開閘閥實(shí)驗(yàn)前直管段15D、后直管段5D安裝條件時(shí)的管道現(xiàn)場(chǎng)安裝示意.
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論
3.1實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)
根據(jù)渦街流量計(jì)檢定規(guī)程(JJG1029-2007),當(dāng)其安裝滿足充分發(fā)展的前后直管段要求時(shí),評(píng)價(jià)渦街流量計(jì)測(cè)量精度的指標(biāo)有量程比、線性度等.針對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)包括平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差、儀表系數(shù)線性度和重復(fù)性.
1)平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差△`K
每個(gè)流量檢定點(diǎn),在第i次檢定時(shí)間內(nèi),渦街流量計(jì)輸出脈沖數(shù)為Ni,流經(jīng)渦街流量計(jì)的體積流量為Vi,則該流量點(diǎn)下第i次檢定的儀表系數(shù)為
3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置所能達(dá)到的最寬流量范圍,進(jìn)行了單彎頭和全開閘閥的實(shí)流實(shí)驗(yàn).圖5和圖6分別為彎頭實(shí)驗(yàn)和閘閥實(shí)驗(yàn)渦街流量計(jì)儀表系數(shù)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(shí)相同后直管段情況下改變前直管段長度時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,虛線位置流量為28m3/h.需要說明的是,通過實(shí)流實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該流量點(diǎn)是渦街流量計(jì)測(cè)量性能突變的一個(gè)分界點(diǎn).小于該流量時(shí)渦街流量計(jì)的測(cè)量性能變差,且流量越低儀表系數(shù)下降越嚴(yán).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(jié)的評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算出的在分界流量點(diǎn)兩側(cè)時(shí)渦街流量計(jì)測(cè)量性能數(shù)據(jù).
從圖5和圖6中可以看出，當(dāng)流量在28~150m3/h時(shí)，無論是單彎頭還是閘閥,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都具有以下特征.
(1)在相同后直管段條件下，渦街流量計(jì)儀表系數(shù)隨流量的減小而逐漸增大,但在接近下限流量處會(huì)有一突降.從渦街流量計(jì)工作特性來分析,出現(xiàn)突降點(diǎn)是不合理的.分析可能造成的原因,小流量時(shí)渦街信號(hào)微弱不易檢測(cè),加之實(shí)驗(yàn)裝置管道振動(dòng)等干擾因素，會(huì)使渦街流量計(jì)輸出脈沖信號(hào)不穩(wěn)定,造成丟波或漏檢.雖然儀表系數(shù)的突降會(huì)造成渦街流量計(jì)測(cè)量性能變差,但從表2的數(shù)據(jù)可以看出，在前直管段大于等于5D時(shí),測(cè)量性能仍可保證,即渦街流量計(jì)仍處于正常工作狀態(tài).
(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(jì)平均儀表系數(shù)逐漸增大,即曲線逐漸上移.
(3)與基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)相比，直管段長度改變對(duì)小流量造成的影響比大流量時(shí)要大，即小流量時(shí)儀表系數(shù)偏差更大.
(4)當(dāng)前直管段較長時(shí),后直管段對(duì)儀表系數(shù)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(shù)的偏差越大(見表2).
對(duì)于流量小于28m3/h的情況,如圖5和圖6所示在24m3/h流量點(diǎn),前直管段越短,儀表系數(shù)下降越嚴(yán)重,造成在整個(gè)測(cè)量范圍(24~150m3/h)內(nèi)儀表系數(shù)非線性越嚴(yán)重,即線性度越差.此外,前直管段越短,重復(fù)性越差.如表2所示，當(dāng)流量計(jì)上游為單彎頭時(shí)，只有前直管段為20D時(shí)能夠滿足測(cè)量精度要求.當(dāng)為全開閘閥時(shí)，由于儀表系數(shù)非線性嚴(yán)重，所討論的直管段長度均不能滿足測(cè)量要求.由于在24m3/h時(shí)渦街流量計(jì)受安裝條件影響已顯現(xiàn)出較差的測(cè)量性能.
3.3安裝使用建議
表2給出了23組實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄,并基于第3.1節(jié)的評(píng)價(jià)指標(biāo)和表3給出的評(píng)價(jià)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)價(jià),給出了安裝使用渦街流量計(jì)的建議.其中“V”表示安裝的前后直管段合適;“x”表示安裝的前后直管段不合適，上游阻流件對(duì)渦街流量計(jì)的影響不能忽略.
僅對(duì)流量在28~150m3/h情況給出評(píng)價(jià)結(jié)論:根據(jù)表3評(píng)價(jià)方法，如表2所示,對(duì)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(shí),彎頭對(duì)渦街流量計(jì)的測(cè)量影響不能忽略;對(duì)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(dāng)前直管段為5D,后直管段為3D時(shí),閘閥對(duì)渦街流量計(jì)的測(cè)量影響均不能忽略.
4與國外相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較
對(duì)渦街流量計(jì)安裝影響研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，圖7所示為渦街流量計(jì)在彎頭和全開閘閥下游的實(shí)驗(yàn)結(jié)果),橫軸為渦街流量計(jì)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(shù)的相對(duì)誤差△`K。
1)研究內(nèi)容不同
4種旋渦發(fā)生體的渦街流量計(jì)在2種安裝角度和2個(gè)雷諾數(shù)下前直管段的影響,圖7中所示結(jié)果包含了多種因素,是一個(gè)綜合評(píng)價(jià).2個(gè)雷諾數(shù)分別為3.0x105和7.0x100.
針對(duì)一種典型渦街流量計(jì)在常規(guī)安裝角度(水平安裝,信號(hào)轉(zhuǎn)換器在上方)下不同前后直管段長度組合進(jìn)行研究,針對(duì)性更強(qiáng).實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍為3.5x104~5.3x105.
2)評(píng)價(jià)指標(biāo)不同
平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，且僅給出了相對(duì)誤差的分布圖(圖7),沒有關(guān)注在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)儀表系數(shù)的特性.
除關(guān)注平均儀表系數(shù)相對(duì)誤差外，還對(duì)流量范圍內(nèi)儀表系數(shù)的重復(fù)性和線性度進(jìn)行了評(píng)價(jià),從圖5和圖6中可以很直觀地看出隨流量變化儀表系數(shù)的變化規(guī)律.
3)結(jié)論不同
結(jié)論:當(dāng)上游存在單彎頭阻流件時(shí)，渦街流量計(jì)所需最短上游直管段長度為13D;當(dāng)上游存在全開閘閥阻流件時(shí),渦街流量計(jì)所需最短上游直管段長度為5D.
結(jié)論:當(dāng)流量在28~150m3/h,渦街流量計(jì).上游存在單彎頭時(shí),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(shí)，渦街流量計(jì)所需最短上游直管段長度為5D,下游直管段長度為5D.當(dāng)流量小于28m3/h時(shí)，渦街流量計(jì)儀表系數(shù)明顯下降,已無法正常工作.這說明,阻流件對(duì)小流量測(cè)量性能影響嚴(yán)重,若仍想保證測(cè)量精度,則需犧牲流量測(cè)量范圍.
5結(jié)語
通過實(shí)流渦街流量計(jì)上游安裝單彎頭和全開閘閥2種情況時(shí)對(duì)其測(cè)量性能的影響.共進(jìn)行了包括基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)在內(nèi)23組實(shí)流實(shí)驗(yàn),雷諾數(shù)范圍為3.5x104~5.3x105.以平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差、儀表系數(shù)的線性度和重復(fù)性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終給出了渦街流量計(jì)在2種安裝條件下的推薦前后直管段長度:
當(dāng)雷諾數(shù)為1.0x105~5.3x105,單彎頭時(shí),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(shí),前直管段長度需滿足至少5D,后直管段長度至少5D,此時(shí)阻流件對(duì)渦街流量計(jì)的測(cè)量影響才能忽略.
當(dāng)雷諾數(shù)小于1.0x105時(shí),由于小流量點(diǎn)的儀表系數(shù)嚴(yán)重減小，造成整個(gè)流量范圍內(nèi)渦街流量計(jì)的測(cè)量性能變差:單彎頭時(shí),只有前直管段為20D時(shí)可以保證測(cè)量精度;全開閘閥時(shí),前直管段15D已無法滿足精度要求.因此當(dāng)渦街流量計(jì)安裝在如彎頭、閘閥等非理想管道條件時(shí),其在低雷諾數(shù)時(shí)的測(cè)量性能需要特別關(guān)注.
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