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點，因此被廣泛應用于石油、化工、冶金、輕工及食品等工業領域中。隨著對渦輪流量計理論研究的不斷深入，渦輪流量計發展迅速，吸引了眾多流量儀表的人員從傳感器結構優化與改進、粘性流體測量及數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，安裝環境和使用條件對其測量精度的影響成為需要關注的問題。
美國國家標準和技術研究所(NIST)對上游安裝90°單彎頭和異面90°雙彎頭分別進行了實驗研究，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0.3%；對于異面雙彎頭，彎頭與儀表為90D時，會產生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、實驗數據進行詳細描述，因此實驗結果是否具有普適性，能否直接拿來使用值得推敲。此外，文獻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，對小流量的流量計管道設計中需要加長直管段，以減少旋轉流對流量計精度的影響。目前國內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，通過實驗數據對平均儀表系數相對誤差、線性度和不確定度進行了分析與評價，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，實驗管徑為100mm，圖1為實驗裝置示意圖。
本實驗利用標準表法對渦輪流量計進行檢定，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恒定，實驗時，水從水塔的下水管依次流過標準表電磁流量計、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行實時采集與處理。液體流量標準裝置DN100管線流量測量范圍為20～200m3/h，精度可達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實驗結果評價指標
渦輪流量計的原理：當被測流體流過傳感器時，在流體作用下，葉輪受力旋轉，其轉速與管道平均流速成正比，葉輪的轉動周期改變磁電轉換器的磁阻值，檢測線圈中的磁通隨之發生周期性變化，產生周期性的感應電勢，即電脈沖信號。基于渦輪流量計的測量原理，根據渦輪流量計檢定規程，確定了實流實驗結果的評價指標，其中包括: 儀表系數、平均儀表系數相對誤差、線性度和不確定度。
流量計儀表系數K為：
2.2數據處理結果及分析
根據實驗裝置所能達到的zui寬流量范圍，進行了基準實驗、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，基準實驗是所有阻流件實驗的參考基準，為保證渦輪流量計入口為充分發展的湍流流動，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進行基準實驗。
2.2.1單彎頭實驗數據
圖3為單彎頭流量-儀表系數曲線。
從圖3中可以看出，實驗數據具有以下特征：
a.在相同后直管段條件下，隨著流量的增加，儀表系數變化較為平緩。在單彎頭后5D的各工況中，平均儀表系數相對誤差值比較接近，在前2D時誤差zui大，達到－0.47%，但前2D的不確定度達到0.19%，該值是在zui小流量時產生的，因此分析造成這一現象的原因，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，平均儀表系數相對誤差值逐漸增大，并且在前 2D時誤差達到了－0.55%。
b.后直管段長度對測量的影響：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到2D時，后直管段越短造成平均儀表系數的偏差越大。
c.在后2D的數據中，前2D的結果不滿足評價準則，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雙彎頭的實驗數據
圖4為雙彎頭流量-儀表系數曲線。
從圖4中可以看出，實驗數據具有以下特征：
a.在雙彎頭的各工況中，前20D儀表系數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的平均儀表系數相對誤差已達到－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的平均儀表系數相對誤差值大于單彎頭(后5D)的平均儀表系數相對誤差值。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+單彎頭的實驗數據
圖5為單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭流量－儀表系數曲線。
從圖5中可以看出，實驗數據具有以下特征：
a.在單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭的各工況中，前20D和前10D的平均儀表系數相對誤差值均在0.5%之內，但前10D的不確定度達到0.23%，同單彎頭(后5D)前2D的分析，認為前10D滿足安裝要求；前直管段為5D時，平均儀表系數相對誤差已達到－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相對誤差值都優于后者，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組實驗的數據記錄，認為平均儀表系數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。共進行了包括基準實驗在內的17組實流實驗，流量范圍為20～145m3/h。以儀表系數、平均儀表系數相對誤差、線性度和不確定度作為評價指標，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。
此文關鍵字：渦輪流量計
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