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对涡街流量计示值误差及流量点重复性的影响实验

发布时间:2018-06-22
 

摘要:在对涡街流量计检定时,可能需要使用测压、测温元件去测量流经流量计的流体温度、压力,以保证流量计计量的准确性。然而部分插入式测压、测温元件是需要插入流体中,这样相当于在流量计的涡街发生体后面的旋涡中在放置了一钝体,此钝体可能会影响已经形成的旋涡,也可能会影响旋涡脱落的频率,从而有可能影响流量计的计量性能。
1、概述
流体流经静止的钝物体时,会在物体后面形成规则的旋涡脱落。自从1878年Vincenc Strouhal测量出旋涡脱落频率和1911年Von Karman研究双排旋涡脱落的稳定性分析以来,旋涡脱落变成了流体力学的基本问题。然而涡街流量计正是利用了这个原理,流体流过旋涡发生体时,会在发生体下游两侧交替地分离释放出两列有规律的交错排列的旋涡,即卡门涡街,并使用传感器测出旋涡脱落的频率,通过式 (1):

进行换算,以达到对流量的计量(式中,b为发生体的宽度;u为流经流量计的流体平均速度;f为旋涡的频率;Sr为斯特罗哈尔数)。根据JJG1029-2007涡街流量计检定规程的要求,在对涡街流量计检定或校准的过程中,如需要测量流经流量计的流体温度或者流体压力时,可以在流量计下游 (2 -5)D 或者 (2 - 7)D 处分别设置测温孔、测压孔(其中 D 为流量计口径) (图1)。在实际工作中,对涡街流量计检测时,测温或测压都是使用传感器,而且大多数的传感器是需要插入管道内部;如果进行此操作,相当于在流量计涡街发生体的后面旋涡中在放置了一钝体,此钝体可能会影响已经形成的旋涡,也可能会影响旋涡脱落的频率,从而有可能影响流量计的计量性能。本文就是研究测温、测压传感器安装的位置l,以及和旋涡发生体形成的角度α对涡街流量计计量性能的影响(图2)。

2、实验模型和实验参数
选择一由上海横河生产的精度1.0级、口径为DN50的涡街流量计做实验,根据说明书,流量计的可测范围为2.2~73m³/h、可保证精度的测量范围为3.3~73m³/h,流量计的输出方式设置为脉冲输出;另外,选择一长度15cm,直径为6mm的不锈钢小圆柱,用作模拟插入式测压、测温元件(以下简称为模拟元件),以方便实验。在进行实验前,先使用若干模拟元件将管道上的小孔堵住,密封以防止漏水,但模拟元件不得插入管道中,保证模拟元件的一端和管道壁平齐,并在模拟元件上做好记号,以保证重复实验时,对实验结果的影响尽量减小到最小。实验时,先对无模拟元件影响的状态进行检测,流量点为qmax和0.40qmax(其中qmax=20.0m³/h),每个流量点测量5次,取平均值进行比较。在α分别选择了0°、45°、90°三个不同角度时,在涡街流量计下游1D~7D的距离插入模拟元件,插入深度为0.5D,测量各种实验状态下涡街流量计各流量点的K系数,以研究l,α对实验结果的影响。实验装置如图3所示,按照JJG1029-2007《涡街流量计检定规程》的要求进行检定。

3、参数l、α对涡街流量计示值误差的影响
通过测量,取得各种实验状态下的K系数,选择无模拟元件影响的实验K系数为基础数据,与其他实验状态下的实验结果进行对比。

如图4所示,图中横坐标为0,表示无模拟元件影响,1D~7D表示模拟元件所放的位置,纵坐标表示涡街流量计K系数的相对示值误差。从图4(a)中可以看出,当α=0°、流量点Q=8m³/h,模拟元件在3D~7D时,对流量计的K系数影响比较大,最大影响接近0.2%。而当流量增加至Q=20m³/h时,模拟元件对流量计K系数影响比较平稳,保持在±0.1%以内。
当α增加至45°,流量点Q=8m³/h,模拟元件位于不同位置时,K系数的相对示值误差位于±0.1%之间,表示模拟元件放置不同位置,可以导致K系数变大或变小(图5(a))。在大流量情况下(Q=20m³/h),从图5(b)中,可以发现K系数几乎都是比实际值变大的,且变化幅度基本位于0%~0.1%范围。
继续增大α至90°,即模拟元件和涡街发生体相互垂直。从图6(a)中可以看出,当流量点Q=8m³/h,模拟元件位于不同位置时,K系数的相对示值误差波动很大,最大变化多至0.25%。当流量Q为20m³/h,模拟元件位于1D处时,K系数相对示值误差减小约0.2%;而在2D~7D处,K系数变化平稳,相对示值误差位于-0.15%~0%范围,即说明流量计的K系数比实际值变小。
从以上的实验结果中可以分析出,在大流量(Q=20m³/h)情况下,在流量计下游2D~7D位置处安装测压、测温元件对流量计K系数影响比较平稳,且变化不大;而在流量点0.4Qmax条件下(Q=8m³/h),K系数变化幅度很大,且变化不均匀。
4、参数l、α对涡街流量计流量点重复性的影响
从图7中可以看出,当α=0°时,不论在0.4Qmax=8m³/h,还是Qmax=20m³/h条件下,流量点的重复性很稳定,这说明模拟元件在各安装点对流量计重复性的影响是有限的。

当α变化时,不论是在45°,还是90°,各流量点的重复性都稍有波动,但是不论怎么变化,都是符合检定要求的(图8,图9),即:流量计的重复性不得超过相应准确度等级规定的最大允许误差绝对值的1/3。
5、结束语
由以上实验结果可以看出,在大流量Qmax=20m³/h条件下,测压、测温元件安装位于2D~7D位置时,对涡街流量计K系数的影响比较平稳;而在流量点Q=8m³/h时,涡街流量计K系数的波动比较大,可能会导致流量计的K系数有一定的偏差。在同一管道中,当流量增大时,瞬间流速随着增加,经过旋涡发生体时,产生旋涡的能量也随之增加,这样传感器就会接收到很强的信号,即使测压、测温元件的存在会对已形成的旋涡有一定的影响,但这个影响也是小范围的。然而当流量降低时,随之旋涡能量降低,传感器接收到的信号也会减弱,此时测压、测温元件对旋涡的影响有了一定的突显,导致所测量的K系数与实际值之间存在了一定的误差。当这个误差达到一定程度,会影响一个流量计的检定结果。