擾動(dòng)對(duì)V錐流量計(jì)測(cè)量性能的影響

寧波市計(jì)量測(cè)試研究院

0 引言

為了降低流體擾動(dòng)對(duì)差壓式流量計(jì)測(cè)量性能帶來的影響，節(jié)流裝置的安裝使用應(yīng)具備相應(yīng)的管道條件，上下游配置的直管段長(zhǎng)度須滿足相關(guān)技術(shù)要求。對(duì)于目前仍廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)孔板來說，只要按標(biāo)準(zhǔn)[1-2]設(shè)計(jì)、制造，前后直管段的配管長(zhǎng)度、內(nèi)徑、圓度等滿足規(guī)范要求，安裝使用前無需實(shí)流標(biāo)定就可估算其測(cè)量誤差。在各類技術(shù)交流及推介資料中，認(rèn)為V錐流量計(jì)具有流體自整流能力，抗流動(dòng)干擾性能強(qiáng)，直管段要求低的特點(diǎn)，提出前1D～3D、后0D～1D直管段，有些甚至提出了不需要配置直管段就可正常使用。對(duì)于提出直管段上述要求的合理性與科學(xué)性，由于沒有擾動(dòng)對(duì)V錐流量計(jì)測(cè)量性能的影響進(jìn)行系統(tǒng)的研究，使得配多長(zhǎng)的直管段才合適沒有足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，對(duì)此業(yè)界一直持有不同的看法，急需通過實(shí)驗(yàn)來獲得答案。V錐流量計(jì)是一種差壓式流量?jī)x表，雖然其結(jié)構(gòu)具有一定的自整流能力，但其不對(duì)稱的取壓結(jié)構(gòu)，錐體與管道的同軸度誤差，管道、錐體圓度和焊接變形的影響及流場(chǎng)的復(fù)雜性，不可避免地會(huì)產(chǎn)生測(cè)量附加誤差，更沒有形成成套的技術(shù)手冊(cè)用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝與使用。為了獲得第一手資料，定制了一臺(tái)口徑DN50，β為0.6的V錐流量傳感器，并配置測(cè)量范圍為6 kPa，準(zhǔn)確度為0.2級(jí)，低零漂差壓變送器，其輸入差壓與輸出電流設(shè)置為線性關(guān)系，以提高小流量時(shí)輸出電流的靈敏度；配置0.05級(jí)四位半數(shù)字多用表用于指示差壓變送器輸出電流值；工作介質(zhì)水為牛頓流體，連續(xù)并充滿圓管及節(jié)流件，并采用成套擾動(dòng)器對(duì)V錐流量計(jì)進(jìn)行抗擾動(dòng)性能的實(shí)流測(cè)試。每次實(shí)驗(yàn)都由筆者搭建與操作，希望能有效降低人員、環(huán)境條件及其他因素對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來的影響。

1 試驗(yàn)結(jié)果

1.1 前直管段0D、3D處擾動(dòng)試驗(yàn)

在前直管段0D、3D處分別安裝圓片型擾動(dòng)發(fā)生器，圓片型左漩漩渦擾動(dòng)發(fā)生器，如圖1所示，圓片型右漩漩渦擾動(dòng)發(fā)生器，如圖2所示，圓片型速度剖面流動(dòng)擾動(dòng)發(fā)生器，如圖3所示，短接環(huán)如圖4所示。

圖1 圓片型左漩漩渦擾動(dòng)發(fā)生器

圖2 圓片型右漩漩渦擾動(dòng)發(fā)生器

圖3 圓片型速度剖面流動(dòng)擾動(dòng)發(fā)生器

圖4 短接環(huán)

圓片型左漩、右漩漩渦擾動(dòng)發(fā)生器可產(chǎn)生類似于直角連接的兩個(gè)90°彎管所引起的漩渦。圓片型速度剖面流動(dòng)擾動(dòng)發(fā)生器可產(chǎn)生類似于突出的管道接頭或尚未全開的閘閥所引起的漩渦。利用現(xiàn)有的工作條件，在直管段0D處從DN40直接擴(kuò)大到DN50，使流動(dòng)截面突然擴(kuò)大，模擬日常使用中可能遇到的管道條件，研究當(dāng)管道口徑突變時(shí)，引起的擾流對(duì)V錐流量計(jì)所產(chǎn)生的影響。值得說明的是圓片型左漩漩渦擾動(dòng)發(fā)生器、圓片型右漩漩渦擾動(dòng)發(fā)生器、圓片型速度剖面流動(dòng)擾動(dòng)發(fā)生器是依據(jù)參考文獻(xiàn)[3]附錄B而設(shè)計(jì)制作。前直管段0D、3D設(shè)置擾動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

1.2 后直管段0D、3D擾動(dòng)試驗(yàn)

后直管段0D、3D處分別安裝圓片型左漩漩渦擾動(dòng)發(fā)生器、圓片型右漩漩渦擾動(dòng)發(fā)生器、圓片型速度剖面流動(dòng)擾動(dòng)發(fā)生器，同時(shí)進(jìn)行了管徑從DN50突變地縮小到DN40的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 前直管段0D、3D設(shè)置擾動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 后直管段0D、3D設(shè)置擾動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 數(shù)據(jù)處理

由于差壓變送器的輸出電流正比于輸入差壓，設(shè)未安裝擾動(dòng)器輸出電流為I0，安裝擾動(dòng)器后輸出電流為I，則輸出電流的相對(duì)誤差為[(I-I0)/I0]×100%。可得在前直管段0D、3D處擾動(dòng)與無擾動(dòng)時(shí)電流的相對(duì)誤差曲線，如圖5所示。后直管段0D、3D處擾動(dòng)與無擾動(dòng)時(shí)電流的相對(duì)誤差曲線，如圖6所示。

一般管道雷諾數(shù)ReD＜2 300為層流狀態(tài)，ReD=2 000～4 000為過渡狀態(tài)，ReD＞4 000為紊流狀態(tài)，流體雷諾數(shù)的計(jì)算公式如下：

D—— 管道內(nèi)徑，mm；

ν—— 流體運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s

差壓式流量計(jì)需有適用的雷諾數(shù)ReD范圍工作于湍流流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)管道內(nèi)徑D為50 mm，水的運(yùn)動(dòng)黏度ν為1.006×10-6m2/s，雷諾數(shù)ReD取4 000時(shí)，則體積流量：

由此可知，體積流量在1.0～2.0 m3/h范圍內(nèi)為過渡狀態(tài)。

由于流量與差壓的方差成正比，故有流量與差壓變送器輸出電流的方差成正比。則流量的相對(duì)誤差為

從式（2）可得，在前直管段0D、3D處擾動(dòng)與無擾動(dòng)時(shí)流量的相對(duì)誤差曲線，如圖7所示，后直管段0D、3D處擾動(dòng)與無擾動(dòng)時(shí)流量的相對(duì)誤差曲線，如圖8所示，其中將流量小于0.5 m3/h的電流信號(hào)切除（當(dāng)流量值較小，電流I0接近4時(shí)，δ將很大，沒有實(shí)際意義）。

圖5 前直管段0D、3D處擾動(dòng)時(shí)電流相對(duì)誤差曲線

圖6 后直管段0D、3D處擾動(dòng)時(shí)電流相對(duì)誤差曲線

圖7 前直管段0D、3D處擾動(dòng)時(shí)流量相對(duì)誤差曲線

圖8 后直管段0D、3D處擾動(dòng)時(shí)流量相對(duì)誤差曲線

3 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象

當(dāng)流量增大到8 m3/h時(shí)，在以電磁流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行測(cè)試時(shí)，由于流量波動(dòng)太大已難以讀數(shù)。在用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行比對(duì)測(cè)量時(shí)，能直觀地發(fā)現(xiàn)浮子上下大范圍地沉浮，管道內(nèi)的壓強(qiáng)波動(dòng)較大，流速場(chǎng)變化明顯。

另外，由于V錐流量計(jì)輸出的差壓較低，引壓管液位的微小波動(dòng)或差壓變送器零漂對(duì)流量有著顯著的影響。如在流量點(diǎn)1 m3/h處，實(shí)測(cè)輸出電流僅為4.117 mA，由于差變的量程為6 kPa，對(duì)應(yīng)的差壓Δp= [（4.117 - 4）mA /（20 - 4）mA]×6 kPa ≈ 0.044 kPa。在流量計(jì)靜態(tài)時(shí)，若管道內(nèi)壓力波動(dòng)或引壓管內(nèi)氣泡等原因?qū)е乱龎汗軆?nèi)壓差不平衡，只要產(chǎn)生44 Pa相當(dāng)于4.5 mm水柱的液位差，即可產(chǎn)生高達(dá)1 m3/h的虛假流量[4]。雖然V錐流量計(jì)的壓損相對(duì)較小，但產(chǎn)生的差壓也相對(duì)較低，因此，小流量時(shí)的測(cè)量誤差應(yīng)引起足夠重視。

4 結(jié)語

1）在0D 處V錐流量計(jì)具有較好抗管道口徑突變的能力。

2）前、后0D、3D處擾動(dòng)對(duì)V錐流量計(jì)測(cè)量性能的影響不可忽視。

3）配置高準(zhǔn)確度、低零漂差壓變送器，差壓引壓管應(yīng)具有良好的工作狀態(tài)，否則，小信號(hào)有效切除的難度較大，并將縮減成套V錐流量計(jì)的范圍度。

4）V錐流量計(jì)是一個(gè)典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，即使是穩(wěn)定流在支撐桿上流過，發(fā)生“卡門”渦街是不可避免的，同時(shí)受上游來流沖擊也會(huì)產(chǎn)生時(shí)變加速度將誘發(fā)流體振蕩，當(dāng)與懸臂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振時(shí)將對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

由于阻流件類型的復(fù)雜多樣，以及V錐流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、制造及安裝等原因，對(duì)擾動(dòng)產(chǎn)生測(cè)量誤差的研究將是長(zhǎng)期和艱巨的。通過擾動(dòng)對(duì)V錐流量計(jì)測(cè)量性能影響的初步研究，拋磚引玉，將有效助推V錐流量計(jì)的技術(shù)進(jìn)步與流量事業(yè)的發(fā)展。

[1]孫淮清，王建中.流量測(cè)量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)，2版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]全國(guó)工業(yè)過程測(cè)量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 2624-2006用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[3]全國(guó)工業(yè)過程測(cè)量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 778.3-2007封閉滿管道中水流量的測(cè)量 飲用冷水水表和熱水水表 第3部分：試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)備[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[4]孫夢(mèng)翔.孔板蒸汽流量計(jì)差錯(cuò)量計(jì)算一例[J].工業(yè)計(jì)量，2012（4）：19-20.

[5]S N Singh，孫延祚.上游流動(dòng)干擾對(duì)V錐流量計(jì)性能的影響[J].工業(yè)計(jì)量，2008，18（3）：24-29.