上游彎頭和漸縮管對渦輪流量計測量性能的影響
渦輪流量計是一種常用的速度式流量儀表，它具有精度高、不確定度好、量程范圍寬及體積小等優(yōu)點，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。隨著對渦輪流量計理論研究的不斷深入，渦輪流量計發(fā)展迅速，吸引了眾多流量儀表的人員從傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)、粘性流體測量及數(shù)值仿真分析等方面研究渦輪流量計的測量性能，并取得了顯著成果。隨著渦輪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(huán)境和使用條件對其測量精度的影響成為需要關(guān)注的問題。
美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所(NIST)對上游安裝90°單彎頭和異面90°雙彎頭分別進(jìn)行了實驗研究，討論渦輪流量計安裝在下游的測量精度，對于單彎頭，彎頭與儀表為20D時，誤差近似為0，誤差隨著長度的縮短而增大，長度為3D左右時誤差zui大，可達(dá)0.3%；對于異面雙彎頭，彎頭與儀表為90D時，會產(chǎn)生0.3%的誤差，隨著長度縮短，誤差增大，長度為3D左右時誤差zui大，可達(dá)2%，這個研究雖然給出了流量計安裝定量的推薦長度，但并未對實驗過程、實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)描述，因此實驗結(jié)果是否具有普適性，能否直接拿來使用值得推敲。此外，文獻(xiàn)指出影響渦輪流量計精度的主要外部因素是流體的流動狀態(tài)，對小流量的流量計管道設(shè)計中需要加長直管段，以減少旋轉(zhuǎn)流對流量計精度的影響。目前國內(nèi)針對渦輪流量計安裝使用條件的實驗研究鮮見報道。筆者針對100mm口徑的渦輪流量計開展了基準(zhǔn)實驗、上游單彎頭、雙彎頭和單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭影響的實驗研究，通過實驗數(shù)據(jù)對平均儀表系數(shù)相對誤差、線性度和不確定度進(jìn)行了分析與評價，zui終給出了3種安裝條件下渦輪流量計安裝的前后直管段建議長度。
1、實驗裝置
實驗是在天津大學(xué)天津市過程參數(shù)檢測與控制重點實驗室的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上完成的，實驗管徑為100mm，圖1為實驗裝置示意圖。
本實驗利用標(biāo)準(zhǔn)表法對渦輪流量計進(jìn)行檢定，水泵連續(xù)將水池里的水送入高位水塔，水塔通過溢流來保持水壓恒定，實驗時，水從水塔的下水管依次流過標(biāo)準(zhǔn)表電磁流量計、被檢表渦輪流量計，zui后回到水池。實驗利用計算機對電磁流量計、渦輪流量計的輸出信號進(jìn)行實時采集與處理。液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置DN100管線流量測量范圍為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，流量范圍將會有所減小，本實驗流量范圍是20～145m3/h。
本實驗針對所要研究的3種安裝條件，對裝置進(jìn)行了改造，給出了實驗研究的3種安裝條件的連接方式(圖2)。
2、渦輪流量計實流實驗
2.1實驗結(jié)果評價指標(biāo)
渦輪流量計的原理：當(dāng)被測流體流過傳感器時，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)動周期改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值，檢測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，即電脈沖信號。基于渦輪流量計的測量原理，根據(jù)渦輪流量計檢定規(guī)程，確定了實流實驗結(jié)果的評價指標(biāo)，其中包括: 儀表系數(shù)、平均儀表系數(shù)相對誤差、線性度和不確定度。
流量計儀表系數(shù)K為：
2.2數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析
根據(jù)實驗裝置所能達(dá)到的zui寬流量范圍，進(jìn)行了基準(zhǔn)實驗、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)的實流實驗。其中，基準(zhǔn)實驗是所有阻流件實驗的參考基準(zhǔn)，為保證渦輪流量計入口為充分發(fā)展的湍流流動，本實驗選擇前直管段長度為50D(D為管道直徑，D=100mm)，后直管段長度為10D進(jìn)行基準(zhǔn)實驗。
2.2.1單彎頭實驗數(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，實驗數(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)相對誤差值比較接近，在前2D時誤差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小流量時產(chǎn)生的，因此分析造成這一現(xiàn)象的原因，可能是流場擾動造成的粗大誤差，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，隨著前直管段長度的縮短，平均儀表系數(shù)相對誤差值逐漸增大，并且在前 2D時誤差達(dá)到了－0.55%。
b.后直管段長度對測量的影響：當(dāng)前直管段較長時，后直管段對儀表系數(shù)的影響不大；隨著前直管段逐漸縮短到2D時，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)果不滿足評價準(zhǔn)則，所以對單彎頭而言，后直管段長度為5D情況下前直管段長度至少為2D，后直管段長度為2D情況下前直管段長度至少為5D。
2.2.2雙彎頭的實驗數(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，實驗數(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，前2D有明顯下降趨勢，說明前10D、5D、2D的線性度較前20D的差。
b.對雙彎頭來說，前10D的平均儀表系數(shù)相對誤差已達(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)相對誤差值大于單彎頭(后5D)的平均儀表系數(shù)相對誤差值。說明雙彎頭的流場對渦輪流量計的測量性能的影響要比單彎頭大，所以雙彎頭時，前直管段長度需滿足至少20D，后直管段長度至少5D，此時阻流件對渦輪流量計的測量影響才能忽略。
2.2.3單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭的實驗數(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，實驗數(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，平均儀表系數(shù)相對誤差已達(dá)到－0.54%。
b.對單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭來說，與單彎頭(后5D)相比，從前10D開始，平均儀表系數(shù)相對誤差值大于單彎頭(后5D)的值，而且這種阻流件下的線性度都比單彎頭(后5D)時差。說明單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭的流場對渦輪流量計的影響比單彎頭的大，所以單彎頭+DN150變100漸縮管+單彎頭時，前直管段長度需滿足至少10D，后直管段長度至少5D。
c.對單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭來說，與雙彎頭相比，在任意前直管段長度時，前者的平均儀表系數(shù)相對誤差值都優(yōu)于后者，說明在兩個彎頭之間加入漸縮管能夠改善渦輪流量計的測量性能。
3、安裝使用建議
表1給出了17組實驗的數(shù)據(jù)記錄，認(rèn)為平均儀表系數(shù)相對誤差和線性度均小于0.5%，同時不確定度小于0.17%時，安裝合適，進(jìn)而給出安裝使用渦輪流量計的建議。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，上游阻流件對渦輪流量計的影響不能忽略。
4、結(jié)束語
通過實流實驗定量研究了渦輪流量計上游安裝單彎頭、雙彎頭以及單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭3種情況時對其測量性能的影響。共進(jìn)行了包括基準(zhǔn)實驗在內(nèi)的17組實流實驗，流量范圍為20～145m3/h。以儀表系數(shù)、平均儀表系數(shù)相對誤差、線性度和不確定度作為評價指標(biāo)，zui終分別給出了渦輪流量計在3種安裝條件下的推薦前后直管段長度：單彎頭時，后直管段長度為5D情況下前直管段長度至少為2D，后直管段長度為2D情況下前直管段長度至少為5D；雙彎頭時，前直管段長度需滿足至少為20D，后直管段長度至少為5D；單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭時，前直管段長度需滿足至少為10D，后直管段長度至少為5D。滿足以上3種情況時阻流件對渦輪流量計的測量影響才能忽略。
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