上游彎頭和漸縮管對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量性能的影響
渦輪流量計(jì)是一種常用的速度式流量?jī)x表，它具有精度高、不確定度好、量程范圍寬及體積小等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、輕工及食品等工業(yè)領(lǐng)域中。隨著對(duì)渦輪流量計(jì)理論研究的不斷深入，渦輪流量計(jì)發(fā)展迅速，吸引了眾多流量?jī)x表的人員從傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)、粘性流體測(cè)量及數(shù)值仿真分析等方面研究渦輪流量計(jì)的測(cè)量性能，并取得了顯著成果。隨著渦輪流量計(jì)的推廣和使用，其安裝影響越來(lái)越受到人們的重視，安裝環(huán)境和使用條件對(duì)其測(cè)量精度的影響成為需要關(guān)注的問(wèn)題。
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所(NIST)對(duì)上游安裝90°單彎頭和異面90°雙彎頭分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，討論渦輪流量計(jì)安裝在下游的測(cè)量精度，對(duì)于單彎頭，彎頭與儀表為20D時(shí)，誤差近似為0，誤差隨著長(zhǎng)度的縮短而增大，長(zhǎng)度為3D左右時(shí)誤差zui大，可達(dá)0.3%；對(duì)于異面雙彎頭，彎頭與儀表為90D時(shí)，會(huì)產(chǎn)生0.3%的誤差，隨著長(zhǎng)度縮短，誤差增大，長(zhǎng)度為3D左右時(shí)誤差zui大，可達(dá)2%，這個(gè)研究雖然給出了流量計(jì)安裝定量的推薦長(zhǎng)度，但并未對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)描述，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否具有普適性，能否直接拿來(lái)使用值得推敲。此外，文獻(xiàn)指出影響渦輪流量計(jì)精度的主要外部因素是流體的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)小流量的流量計(jì)管道設(shè)計(jì)中需要加長(zhǎng)直管段，以減少旋轉(zhuǎn)流對(duì)流量計(jì)精度的影響。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)渦輪流量計(jì)安裝使用條件的實(shí)驗(yàn)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。筆者針對(duì)100mm口徑的渦輪流量計(jì)開(kāi)展了基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、上游單彎頭、雙彎頭和單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭影響的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)平均儀表系數(shù)相對(duì)誤差、線性度和不確定度進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，zui終給出了3種安裝條件下渦輪流量計(jì)安裝的前后直管段建議長(zhǎng)度。
1、實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)是在天津大學(xué)天津市過(guò)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)管徑為100mm，圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
本實(shí)驗(yàn)利用標(biāo)準(zhǔn)表法對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行檢定，水泵連續(xù)將水池里的水送入高位水塔，水塔通過(guò)溢流來(lái)保持水壓恒定，實(shí)驗(yàn)時(shí)，水從水塔的下水管依次流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表電磁流量計(jì)、被檢表渦輪流量計(jì)，zui后回到水池。實(shí)驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)對(duì)電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與處理。液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置DN100管線流量測(cè)量范圍為20～200m3/h，精度可達(dá)0.2%。但由于加上阻流件以及被校表后造成管道壓力損失增大，流量范圍將會(huì)有所減小，本實(shí)驗(yàn)流量范圍是20～145m3/h。
本實(shí)驗(yàn)針對(duì)所要研究的3種安裝條件，對(duì)裝置進(jìn)行了改造，給出了實(shí)驗(yàn)研究的3種安裝條件的連接方式(圖2)。
2、渦輪流量計(jì)實(shí)流實(shí)驗(yàn)
2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)
渦輪流量計(jì)的原理：當(dāng)被測(cè)流體流過(guò)傳感器時(shí)，在流體作用下，葉輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)周期改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值，檢測(cè)線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電勢(shì)，即電脈沖信號(hào)。基于渦輪流量計(jì)的測(cè)量原理，根據(jù)渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程，確定了實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中包括: 儀表系數(shù)、平均儀表系數(shù)相對(duì)誤差、線性度和不確定度。
流量計(jì)儀表系數(shù)K為：
2.2數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析
根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置所能達(dá)到的zui寬流量范圍，進(jìn)行了基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、單彎頭(后5D和后2D)、雙彎頭(后5D)和單彎頭 +DN150變DN100漸縮管+單彎頭(后5D)的實(shí)流實(shí)驗(yàn)。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)，為保證渦輪流量計(jì)入口為充分發(fā)展的湍流流動(dòng)，本實(shí)驗(yàn)選擇前直管段長(zhǎng)度為50D(D為管道直徑，D=100mm)，后直管段長(zhǎng)度為10D進(jìn)行基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。
2.2.1單彎頭實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
圖3為單彎頭流量-儀表系數(shù)曲線。
從圖3中可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有以下特征：
a.在相同后直管段條件下，隨著流量的增加，儀表系數(shù)變化較為平緩。在單彎頭后5D的各工況中，平均儀表系數(shù)相對(duì)誤差值比較接近，在前2D時(shí)誤差zui大，達(dá)到－0.47%，但前2D的不確定度達(dá)到0.19%，該值是在zui小流量時(shí)產(chǎn)生的，因此分析造成這一現(xiàn)象的原因，可能是流場(chǎng)擾動(dòng)造成的粗大誤差，而且該值和要求的不確定度(0.17%)相差不大，故可認(rèn)為前2D滿足安裝要求；在單彎頭后2D的各工況，隨著前直管段長(zhǎng)度的縮短，平均儀表系數(shù)相對(duì)誤差值逐漸增大，并且在前 2D時(shí)誤差達(dá)到了－0.55%。
b.后直管段長(zhǎng)度對(duì)測(cè)量的影響：當(dāng)前直管段較長(zhǎng)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到2D時(shí)，后直管段越短造成平均儀表系數(shù)的偏差越大。
c.在后2D的數(shù)據(jù)中，前2D的結(jié)果不滿足評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，所以對(duì)單彎頭而言，后直管段長(zhǎng)度為5D情況下前直管段長(zhǎng)度至少為2D，后直管段長(zhǎng)度為2D情況下前直管段長(zhǎng)度至少為5D。
2.2.2雙彎頭的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
圖4為雙彎頭流量-儀表系數(shù)曲線。
從圖4中可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有以下特征：
a.在雙彎頭的各工況中，前20D儀表系數(shù)隨流量的增加變化平緩，前10D和前5D有明顯上升趨勢(shì)，前2D有明顯下降趨勢(shì)，說(shuō)明前10D、5D、2D的線性度較前20D的差。
b.對(duì)雙彎頭來(lái)說(shuō)，前10D的平均儀表系數(shù)相對(duì)誤差已達(dá)到－0.7%，前5D和前2D的誤差值均大于－0.7%。與單彎頭(后5D)相比，前10D到前2D的平均儀表系數(shù)相對(duì)誤差值大于單彎頭(后5D)的平均儀表系數(shù)相對(duì)誤差值。說(shuō)明雙彎頭的流場(chǎng)對(duì)渦輪流量計(jì)的測(cè)量性能的影響要比單彎頭大，所以雙彎頭時(shí)，前直管段長(zhǎng)度需滿足至少20D，后直管段長(zhǎng)度至少5D，此時(shí)阻流件對(duì)渦輪流量計(jì)的測(cè)量影響才能忽略。
2.2.3單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
圖5為單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭流量－儀表系數(shù)曲線。
從圖5中可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有以下特征：
a.在單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭的各工況中，前20D和前10D的平均儀表系數(shù)相對(duì)誤差值均在0.5%之內(nèi)，但前10D的不確定度達(dá)到0.23%，同單彎頭(后5D)前2D的分析，認(rèn)為前10D滿足安裝要求；前直管段為5D時(shí)，平均儀表系數(shù)相對(duì)誤差已達(dá)到－0.54%。
b.對(duì)單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭來(lái)說(shuō)，與單彎頭(后5D)相比，從前10D開(kāi)始，平均儀表系數(shù)相對(duì)誤差值大于單彎頭(后5D)的值，而且這種阻流件下的線性度都比單彎頭(后5D)時(shí)差。說(shuō)明單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭的流場(chǎng)對(duì)渦輪流量計(jì)的影響比單彎頭的大，所以單彎頭+DN150變100漸縮管+單彎頭時(shí)，前直管段長(zhǎng)度需滿足至少10D，后直管段長(zhǎng)度至少5D。
c.對(duì)單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭來(lái)說(shuō)，與雙彎頭相比，在任意前直管段長(zhǎng)度時(shí)，前者的平均儀表系數(shù)相對(duì)誤差值都優(yōu)于后者，說(shuō)明在兩個(gè)彎頭之間加入漸縮管能夠改善渦輪流量計(jì)的測(cè)量性能。
3、安裝使用建議
表1給出了17組實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄，認(rèn)為平均儀表系數(shù)相對(duì)誤差和線性度均小于0.5%，同時(shí)不確定度小于0.17%時(shí)，安裝合適，進(jìn)而給出安裝使用渦輪流量計(jì)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(duì)渦輪流量計(jì)的影響不能忽略。
4、結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)實(shí)流實(shí)驗(yàn)定量研究了渦輪流量計(jì)上游安裝單彎頭、雙彎頭以及單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭3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)的17組實(shí)流實(shí)驗(yàn)，流量范圍為20～145m3/h。以儀表系數(shù)、平均儀表系數(shù)相對(duì)誤差、線性度和不確定度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，zui終分別給出了渦輪流量計(jì)在3種安裝條件下的推薦前后直管段長(zhǎng)度：?jiǎn)螐濐^時(shí)，后直管段長(zhǎng)度為5D情況下前直管段長(zhǎng)度至少為2D，后直管段長(zhǎng)度為2D情況下前直管段長(zhǎng)度至少為5D；雙彎頭時(shí)，前直管段長(zhǎng)度需滿足至少為20D，后直管段長(zhǎng)度至少為5D；單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭時(shí)，前直管段長(zhǎng)度需滿足至少為10D，后直管段長(zhǎng)度至少為5D。滿足以上3種情況時(shí)阻流件對(duì)渦輪流量計(jì)的測(cè)量影響才能忽略。
此文關(guān)鍵字：渦輪流量計(jì)
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