摘 要： 為了考察現(xiàn)場實際安裝環(huán)境和使用條件對渦街流量計測量精度的影響，對DN100渦街流量計進行了基準實驗、上游單個90°彎頭和全開閘閥共23組實流實驗。實驗介質(zhì)為水，雷諾數(shù)范圍3.5×104～5.3×105。以平均儀表系數(shù)的相對誤差、儀表系數(shù)的線性度和重復(fù)性作為評價指標，zui終給出了渦街流量計在2種安裝條件下的推薦前后直管段長度：雷諾數(shù)在1.0×10⁵～5.3×10⁵單彎頭時，前直管段長度至少5D，后直管段長度至少3D；全開閘閥時，前直管段長度至少5D，后直管段長度至少5D，此時彎頭和閘閥對渦街流量計的測量影響才能忽略。雷諾數(shù)在 3.5×10⁴～5.3×10⁵時，小流量點處儀表系數(shù)的嚴重下降導(dǎo)致渦街流量計在2種安裝條件下均無法達到測量精度。 
關(guān)鍵字： 渦街流量計 單彎頭 閘閥 儀表系數(shù) 線性度 重復(fù)性 

渦街流量計是一種基于流體振蕩原理的新型速度式流量儀表，以其對流體物性變化的不敏感性、高可靠性和高精度等特點而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。自20世紀60年代末誕生以來，渦街流量計發(fā)展迅速，國內(nèi)外學(xué)者分別對旋渦發(fā)生體形狀、信號檢測方式以及數(shù)字信號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、使用條件對其測量精度的影響成為需要關(guān)注的問題。 

英國Surrey大學(xué)和英國國家工程實驗室對上游安裝單90°彎頭、半開閘閥、不同平面的2個90°彎頭3種阻流件情況分別進行了實驗研究，討論渦街流量計安裝在其下游的測量精度。日本國家計量科學(xué)研究院的Takamto等通過實流實驗方法，對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量性能進行研究，通過分析每種阻流件情況下儀表系數(shù)的相對誤差，zui終給出了安裝每種阻流件時保證渦街流量計測量精度所需的zui短上游直管段長度，但對后直管段長度并未提及。此外，我國機械行業(yè)標準（JB/T9249—1999）中對渦街流量計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，一般渦街流量計現(xiàn)場安裝條件根本無法滿足。而國外文章中給出的實驗結(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)針對渦街流量計安裝使用條件的實驗研究鮮見報道。本文針對100mm口徑的渦街流量計開展了基準實驗、上游單90°彎頭和全開閘閥影響的實驗研究，通過實驗數(shù)據(jù)對平均儀表系數(shù)的相對誤差、線性度和重復(fù)性進行分析與評價，zui終給出了上游單彎頭、全開閘閥條件下渦街流量計安裝的前后直管段長度建議。 

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準裝置上完成的，實驗管徑100mm，圖1為實驗裝置示意。水泵連續(xù)將水池里的水送入高位水塔，水塔通過溢流來保持水壓的恒定。實驗時，水從水塔的下水管引入到實驗管道，依次流過標準表電磁流量計、實驗樣機渦街流量計，zui后回到水池，通過調(diào)節(jié)閥門開度進行流量調(diào)節(jié)。實驗采用計算機控制，實現(xiàn)對電磁流量計、渦街流量計輸出信號的實時采集與處理。水流量標準裝置精度可達0.1%。

 
圖1 實驗裝置示意

實驗樣機為橫河DY100-EBLBA1-2D一體型渦街流量計，口徑100mm。該樣機zui大特點是采用了基于頻譜分析的數(shù)字信號處理方法，保證了在較寬的測量范圍內(nèi)具有較高精度?？蓽y流量范圍7.5～248m3/h，精度可達1%。但是，受實驗裝置所能提供的流量范圍限制，zui小流量只能做到10m3/h，zui大流量可以達到200m3/h。由于管道改造后壓損增大，zui終流量上限只能達到150m3/h左右，所以進行實流實驗測試的流量范圍為10～150m3/h。 

2 實驗方案設(shè)計 

表1給出了此次研究的實驗方案設(shè)計，共進行基準實驗、上游單彎頭和全開閘閥3大類共23組實流實驗，均在圖1所示的實驗段X處進行。其中，基準實驗是所有阻流件實驗的參考基準，即認為渦街流量計入口為充分發(fā)展湍流流動，為其使用條件，此時渦街流量計前直管段長度為100D（D為管道直徑，D＝100mm），后直管段長度為10D。對于單彎頭和全開閘閥的實驗需要對裝置進行改造后才能進行，圖2所示為彎頭和閘閥實驗管道及組件的連接示意。

 
圖2 彎頭和閘閥實驗管道及組件連接示意

通過不同管道組件的組合來實現(xiàn)不同前后直管段長度的實驗。如表1所示，彎頭實驗進行前直管段分別為1D、3D、5D、10D、15D、20D，后直管段為3D、5D共12組實驗，后直管段下游安裝一個全開閘閥，作為后直管段長度的結(jié)束。同理，全開閘閥實驗進行5種前直管段長度、2種后直管段長度共10組實驗。與彎頭實驗不同的是，為了消除閘閥上游阻流件（彎頭）對流場的影響，在實驗段X上游設(shè)置了30D長的直管段，這樣保證了與基準實驗比較的差異均由閘閥安裝引起。圖3和圖4分別為彎頭實驗前直管段20D、后直管段3D安裝條件時和全開閘閥實驗前直管段15D、后直管段5D安裝條件時的管道現(xiàn)場安裝示意。

3 實驗結(jié)果分析與討論 

3.1 實驗評價指標 

根據(jù)渦街流量計檢定規(guī)程（JJG1029—2007），當其安裝滿足充分發(fā)展的前后直管段要求時，評價渦街流量計測量精度的指標有量程比、線性度等。針對本文所討論的上游存在阻流件且前后直管段改變的情況，評價指標包括平均儀表系數(shù)的相對誤差、儀表系數(shù)線性度和重復(fù)性。 

1）平均儀表系數(shù)的相對誤差 

每個流量檢定點，在第i次檢定時間內(nèi)，渦街流量計輸出脈沖數(shù)為Ni，流經(jīng)渦街流量計的體積流量為Vi，則該流量點下第i次檢定的儀表系數(shù)為

3.2 實驗數(shù)據(jù)分析 

根據(jù)實驗裝置所能達到的zui寬流量范圍，進行了單彎頭和全開閘閥的實流實驗.圖5和圖6分別為彎頭實驗和閘閥實驗渦街流量計儀表系數(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時相同后直管段情況下改變前直管段長度時的實驗結(jié)果，虛線位置流量為28m3/h。需要說明的是，通過實流實驗發(fā)現(xiàn)，該流量點是渦街流量計測量性能突變的一個分界點。小于該流量時渦街流量計的測量性能變差，且流量越低儀表系數(shù)下降越嚴重，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)的評價指標計算出的在分界流量點兩側(cè)時渦街流量計測量性能數(shù)據(jù)。

 
圖5 彎頭實驗數(shù)據(jù)

從圖5和圖6中可以看出，當流量在28～150m3/h時，無論是單彎頭還是閘閥，實驗數(shù)據(jù)都具有以下特征。

 
圖6 閘閥實驗數(shù)據(jù)

（1）在相同后直管段條件下，渦街流量計儀表系數(shù)隨流量的減小而逐漸增大，但在接近下限流量處會有一突降。從渦街流量計工作特性來分析，出現(xiàn)突降點是不合理的。分析可能造成的原因，小流量時渦街信號微弱不易檢測，加之實驗裝置管道振動等干擾因素，會使渦街流量計輸出脈沖信號不穩(wěn)定，造成丟波或漏檢。雖然儀表系數(shù)的突降會造成渦街流量計測量性能變差，但從表2的數(shù)據(jù)可以看出，在前直管段大于等于5D時，測量性能仍可保證，即渦街流量計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，渦街流量計平均儀表系數(shù)逐漸增大，即曲線逐漸上移。 

（3）與基準實驗相比，直管段長度改變對小流量造成的影響比大流量時要大，即小流量時儀表系數(shù)偏差更大。 

（4）當前直管段較長時，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，后直管段越短造成平均儀表系數(shù)的偏差越大（見表2）。

表2 實驗數(shù)據(jù)評價 

對于流量小于28m3/h的情況，如圖5和圖6所示在24m3/h流量點，前直管段越短，儀表系數(shù)下降越嚴重，造成在整個測量范圍（24～150m3/h）內(nèi)儀表系數(shù)非線性越嚴重，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，當流量計上游為單彎頭時，只有前直管段為20D時能夠滿足測量精度要求。當為全開閘閥時，由于儀表系數(shù)非線性嚴重，所討論的直管段長度均不能滿足測量要求。由于在24m3/h時渦街流量計受安裝條件影響已顯現(xiàn)出較差的測量性能，無法正常工作，因此更低流量點情況在本文不再討論。 

3.3 安裝使用建議 

表2給出了23組實驗的數(shù)據(jù)記錄，并基于第3.1節(jié)的評價指標和表3給出的評價方法對數(shù)據(jù)進行了評價，給出了安裝使用渦街流量計的建議.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，上游阻流件對渦街流量計的影響不能忽略。 

僅對流量在28～150m3/h情況給出評價結(jié)論：根據(jù)表3評價方法，如表2所示，對于上游安裝單彎頭，前直管段分別為2D、3D，后直管段分別為3D、5D共4種情況時，彎頭對渦街流量計的測量影響不能忽略；對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，當前直管段為5D，后直管段為3D時，閘閥對渦街流量計的測量影響均不能忽略。

表3 評價方法 

4 與國外相關(guān)實驗數(shù)據(jù)的比較 

將本實驗結(jié)果與日本國家計量科學(xué)研究院Takamto等對渦街流量計安裝影響研究的實驗結(jié)果進行比較，圖7所示為渦街流量計在彎頭和全開閘閥下游的實驗結(jié)果，橫軸為渦街流量計前直管段長度，以管道直徑D為zui小單位，縱軸為平均儀表系數(shù)的相對誤差。

 
圖7 渦街流量計安裝條件影響實驗數(shù)據(jù)

1）研究內(nèi)容不同 

Takamto等研究了4種旋渦發(fā)生體的渦街流量計在2種安裝角度和2個雷諾數(shù)下前直管段的影響，圖7中所示結(jié)果包含了多種因素，是一個綜合評價。2個雷諾數(shù)分別為3.0×10⁵和7.0×10⁶。 

本實驗針對一種典型渦街流量計在常規(guī)安裝角度（水平安裝，信號轉(zhuǎn)換器在上方）下不同前后直管段長度組合進行研究，針對性更強.實驗雷諾數(shù)范圍為3.5×10⁴～5.3×10⁵。 

2）評價指標不同 

Takamto等的研究中只有平均儀表系數(shù)的相對誤差作為評價指標，且僅給出了相對誤差的分布圖（圖7），沒有關(guān)注在整個測量范圍內(nèi)儀表系數(shù)的特性。 

本實驗中除關(guān)注平均儀表系數(shù)相對誤差外，還對流量范圍內(nèi)儀表系數(shù)的重復(fù)性和線性度進行了評價，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等的結(jié)論是：當上游存在單彎頭阻流件時，渦街流量計所需zui短上游直管段長度為13D；當上游存在全開閘閥阻流件時，渦街流量計所需zui短上游直管段長度為5D。 

本實驗研究的結(jié)論：當流量在28～150m3/h，渦街流量計上游存在單彎頭時，其所需zui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，渦街流量計所需zui短上游直管段長度為5D，下游直管段長度為5D。當流量小于28m3/h時，渦街流量計儀表系數(shù)明顯下降，已無法正常工作。這說明，阻流件對小流量測量性能影響嚴重，若仍想保證測量精度，則需犧牲流量測量范圍。 

5 結(jié)語 

通過實流實驗定量研究了渦街流量計上游安裝單彎頭和全開閘閥2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(nèi)23組實流實驗，雷諾數(shù)范圍為3.5×10⁴～5.3×10⁵。以平均儀表系數(shù)的相對誤差、儀表系數(shù)的線性度和重復(fù)性作為評價指標，zui終給出了渦街流量計在2種安裝條件下的推薦前后直管段長度： 

當雷諾數(shù)為1.0×10⁵～5.3×10⁵，單彎頭時，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，前直管段長度需滿足至少5D，后直管段長度至少5D，此時阻流件對渦街流量計的測量影響才能忽略。 

當雷諾數(shù)小于1.0×10⁵時，由于小流量點的儀表系數(shù)嚴重減小，造成整個流量范圍內(nèi)渦街流量計的測量性能變差：單彎頭時，只有前直管段為20D時可以保證測量精度；全開閘閥時，前直管段15D已無法滿足精度要求。因此當渦街流量計安裝在如彎頭、閘閥等非理想管道條件時，其在低雷諾數(shù)時的測量性能需要特別關(guān)注。(end)北京富瑞恒創(chuàng)科技有限公司。