鄭丹丹，唐興華，張 濤

(1. 天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院天津市過(guò)程檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 中海石油(中國(guó))有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司，天津 300452)

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?jī)x表，以其對(duì)流體物性變化的不敏感性、高可靠性和高精度等特點(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(lái)，渦街流量計(jì)發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別對(duì)旋渦發(fā)生體形狀[1-4]、信號(hào)檢測(cè)方式[5-7]以及數(shù)字信號(hào)處理方法[8-10]等方面展開(kāi)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(lái)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(wèn)題．

英國(guó) Surrey大學(xué)和英國(guó)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室對(duì)上游安裝單 90°彎頭、半開(kāi)閘閥、不同平面的 2個(gè) 90°彎頭 3種阻流件情況分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[11]，討論渦街流量計(jì)安裝在其下游的測(cè)量精度．日本國(guó)家計(jì)量科學(xué)研究院的Takamto等[12]通過(guò)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)行研究，通過(guò)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(zhǎng)度，但對(duì)后直管段長(zhǎng)度并未提及．此外，我國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T 9249—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(zhǎng)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(zhǎng)，一般渦街流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件根本無(wú)法滿足．而國(guó)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(lái)使用值得推敲．目前國(guó)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(jiàn)報(bào)道．本文針對(duì)100,mm口徑的渦街流量計(jì)開(kāi)展了基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、上游單 90°彎頭和全開(kāi)閘閥影響的實(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)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(kāi)閘閥條件下渦街流量計(jì)安裝的前后直管段長(zhǎng)度建議．

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100,mm，圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意．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)保持水壓的恒定．實(shí)驗(yàn)時(shí)，水從水塔的下水管引入到實(shí)驗(yàn)管道，依次流過(guò)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(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)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%．

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為橫河 DY100-EBLBA1-2D一體型渦街流量計(jì)，口徑 100,mm．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 7.5～248,m3/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10 m3/h，最大流量可以達(dá)到 200,m3/h．由于管道改造后壓損增大，最終流量上限只能達(dá)到 150,m3/h左右，所以進(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn)測(cè)試的流量范圍為10～150,m3/h．

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Scheme of the facility

表1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Tab.1 Experimental design

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(kāi)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)入口為充分發(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(zhǎng)度為 100D(D為管道直徑，D＝100,mm)，后直管段長(zhǎng)度為10,D．對(duì)于單彎頭和全開(kāi)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．

圖2 彎頭和閘閥實(shí)驗(yàn)管道及組件連接示意Fig.2 Component connection diagram of single bend and gate valve

通過(guò)不同管道組件的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)不同前后直管段長(zhǎng)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 1,D、3,D、5,D、10,D、15,D、20,D，后直管段為3,D、5,D共 12組實(shí)驗(yàn)，后直管段下游安裝一個(gè)全開(kāi)閘閥，作為后直管段長(zhǎng)度的結(jié)束．同理，全開(kāi)閘閥實(shí)驗(yàn)進(jìn)行 5種前直管段長(zhǎng)度、2種后直管段長(zhǎng)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30,D長(zhǎng)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 20,D、后直管段 3,D安裝條件時(shí)和全開(kāi)閘閥實(shí)驗(yàn)前直管段 15,D、后直管段 5,D安裝條件時(shí)的管道現(xiàn)場(chǎng)安裝示意．

圖3 彎頭實(shí)驗(yàn)管道安裝示意(前直管段20D，后直管段3D)Fig.3 Pipe diagram of bend test(upstream pipe 20D，downstream pipe 3D)

圖4 全開(kāi)閘閥實(shí)驗(yàn)管道安裝示意(前直管段15D，后直管段5D)Fig.4 Pipe diagram of fully open gate valve(upstream pipe 15D，downstream pipe 5D)

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(JJG 1029—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．

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

整個(gè)流量范圍內(nèi)，共檢定m個(gè)流量點(diǎn)，則渦街流量計(jì)平均儀表系數(shù)為

2) 線性度δ1

3) 重復(fù)性2maxδ

每個(gè)流量點(diǎn)的重復(fù)性為

m個(gè)流量點(diǎn)中2δ的最大值2maxδ即為渦街流量計(jì)的重復(fù)性．

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(kāi)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 24～150,m3/h時(shí)相同后直管段情況下改變前直管段長(zhǎng)度時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，虛線位置流量為 28,m3/h．需要說(shuō)明的是，通過(guò)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 24,m3/h情況作為說(shuō)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 28～150,m3/h時(shí)，無(wú)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(lái)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)．

圖5 彎頭實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.5 Experimental data of bend test

圖6 閘閥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.6 Experimental data of gate valve test

(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(zhǎng)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(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，后直管段越短造成平均儀表系數(shù)的偏差越大(見(jiàn)表2)．

對(duì)于流量小于28,m3/h的情況，如圖5和圖6所示在 24,m3/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(24～150,m3/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 20,D時(shí)能夠滿足測(cè)量精度要求．當(dāng)為全開(kāi)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(zhǎng)度均不能滿足測(cè)量要求．由于在24,m3/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，無(wú)法正常工作，因此更低流量點(diǎn)情況在本文不再討論．

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)Tab.2 Evaluation on experimental data

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“√”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)渦街流量計(jì)的影響不能忽略．

表3 評(píng)價(jià)方法Tab.3 Evaluation method

僅對(duì)流量在 28～150,m3/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 2,D、3,D，后直管段分別為 3,D、5,D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(kāi)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 5,D，后直管段為3,D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(guó)外相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較

將本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與日本國(guó)家計(jì)量科學(xué)研究院Takamto等[12]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(kāi)閘閥下游的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12]，橫軸為渦街流量計(jì)前直管段長(zhǎng)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

圖7 渦街流量計(jì)安裝條件影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[12]Fig.7 Installation effects of vortex flowmeter[12]

1) 研究?jī)?nèi)容不同

Takamto等[12]研究了 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3.0×105和7.0×106．

本實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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3.5×104～5.3×105．

2) 評(píng)價(jià)指標(biāo)不同

Takamto等[12]的研究中只有平均儀表系數(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(méi)有關(guān)注在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)儀表系數(shù)的特性．

本實(shí)驗(yàn)中除關(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

Takamto等[12]的結(jié)論是：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(zhǎng)度為 13D；當(dāng)上游存在全開(kāi)閘閥阻流件時(shí)，渦街流量計(jì)所需最短上游直管段長(zhǎng)度為5D．

本實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)論：當(dāng)流量在 28～150,m3/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(zhǎng)度為5,D，下游直管段長(zhǎng)度為3,D；上游存在全開(kāi)閘閥時(shí)，渦街流量計(jì)所需最短上游直管段長(zhǎng)度為 5,D，下游直管段長(zhǎng)度為 5,D．當(dāng)流量小于 28,m3/h時(shí)，渦街流量計(jì)儀表系數(shù)明顯下降，已無(wú)法正常工作．這說(shuō)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(yǔ)

通過(guò)實(shí)流實(shí)驗(yàn)定量研究了渦街流量計(jì)上游安裝單彎頭和全開(kāi)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 3.5×104～5.3×105．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(zhǎng)度：

當(dāng)雷諾數(shù)為 1.0×105～5.3×105，單彎頭時(shí)，前直管段長(zhǎng)度需滿足至少5,D，后直管段長(zhǎng)度至少3,D；全開(kāi)閘閥時(shí)，前直管段長(zhǎng)度需滿足至少 5,D，后直管段長(zhǎng)度至少 5,D，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1.0×105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：?jiǎn)螐濐^時(shí)，只有前直管段為 20,D時(shí)可以保證測(cè)量精度；全開(kāi)閘閥時(shí)，前直管段 15,D已無(wú)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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