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測壓、測溫元件對渦街流量計的影響
發布時間:2019-10-23

摘要:在對渦街流量計檢定時,可能需要使用測壓、測溫元件去測量流經流量計的流體溫度、壓力,以保證流量計計量的準確性。然而部分插入式測壓、測溫元件是需要插入流體中,這樣相當于在流量計的渦街發生體后面的旋渦中在放置了一鈍體,此鈍體可能會影響已經形成的旋渦,也可能會影響旋渦脫落的頻率,從而有可能影響流量計的計量性能。
1概述
  流體流經靜止的鈍物體時,會在物體后面形成規則的旋渦脫落。自從1878年VincencStrouhal測量出旋渦脫落頻率和1911年VonKarman研究雙排旋渦脫落的穩定性分析以來,旋渦脫落變成了流體力學的基本問題。然而渦街流量計正是利用了這個原理,流體流過旋渦發生體時,會在發生體下游兩側交替地分離釋放出兩列有規律的交錯排列的旋渦,即卡門渦街[1],并使用傳感器測出旋渦脫落的頻率,通過式(1):

  進行換算,以達到對流量的計量(式中,b為發生體的寬度;u為流經流量計的流體平均速度;f為旋渦的頻率;Sr為斯特羅哈爾數)[2]。根據JJG1029—2007渦街流量計檢定規程的要求,在對渦街流量計檢定或校準的過程中,如需要測量流經流量計的流體溫度或者流體壓力時,可以在流量計下游(2-5)D或者(2-7)D處分別設置測溫孔、測壓孔[3](其中D為流量計口徑)(圖1)。在實際工作中,對渦街流量計檢測時,測溫或測壓都是使用傳感器,而且大多數的傳感器是需要插入管道內部;如果進行此操作,相當于在流量計渦街發生體的后面旋渦中在放置了一鈍體,此鈍體可能會影響已經形成的旋渦,也可能會影響旋渦脫落的頻率,從而有可能影響流量計的計量性能。本文就是研究測溫、測壓傳感器安裝的位置l,以及和旋渦發生體形成的角度α對渦街流量計計量性能的影響(圖2)。
渦街流量計和測溫、測壓原件示意圖
渦街流量計和測溫、測壓原件之間參數關系圖
2實驗模型和實驗參數
  選擇精度1.0級、口徑為DN50的渦街流量計做實驗,根據說明書,流量計的可測范圍為2.2~73m3/h、可保證精度的測量范圍為3.3~73m3/h[2],流量計的輸出方式設置為脈沖輸出;另外,選擇一長度15cm,直徑為6mm的不銹鋼小圓柱,用作模擬插入式測壓、測溫元件(以下簡稱為模擬元件),以方便實驗。
  在進行實驗前,先使用若干模擬元件將管道上的小孔堵住,密封以防止漏水,但模擬元件不得插入管道中,保證模擬元件的一端和管道壁平齊,并在模擬元件上做好記號,以保證重復實驗時,對實驗結果的影響盡量減小到最小。實驗時,先對無模擬元件影響的狀態進行檢測,流量點為qmax和0.40qmax(其中qmax=20.0m3/h),每個流量點測量5次,取平均值進行比較。在α分別選擇了0°、45°、90°三個不同角度時,在渦街流量計下游1D~7D的距離插入模擬元件,插入深度為0.5D,測量各種實驗狀態下渦街流量計各流量點的K系數,以研究l,α對實驗結果的影響。實驗裝置如圖3所示,按照JJG1029—2007《渦街流量計檢定規程》的要求進行檢定。

3參數l、α對渦街流量計示值誤差的影響
  通過測量,取得各種實驗狀態下的K系數,選擇無模擬元件影響的實驗K系數為基礎數據,與其他實驗狀態下的實驗結果進行對比。
  如圖4所示,圖中橫坐標為0,表示無模擬元件影響,1D~7D表示模擬元件所放的位置,縱坐標表示渦街流量計K系數的相對示值誤差。從圖4(a)中可以看出,當α=0°、流量點Q=8m3/h,模擬元件在3D~7D時,對流量計的K系數影響比較大,最大影響接近0.2%。而當流量增加至Q=20m3/h時,模擬元件對流量計K系數影響比較平穩,保持在±0.1%以內。

  當α增加至45°,流量點Q=8m3/h,模擬元件位于不同位置時,K系數的相對示值誤差位于±0.1%之間,表示模擬元件放置不同位置,可以導致K系數變大或變小(圖5(a))。在大流量情況下(Q=20m3/h),從圖5(b)中,可以發現K系數幾乎都是比實際值變大的,且變化幅度基本位于0%~0.1%范圍。

  繼續增大α至90°,即模擬元件和渦街發生體相互垂直。從圖6(a)中可以看出,當流量點Q=8m3/h,模擬元件位于不同位置時,K系數的相對示值誤差波動很大,最大變化多至0.25%。當流量Q為20m3/h,模擬元件位于1D處時,K系數相對示值誤差減小約0.2%;而在2D~7D處,K系數變化平穩,相對示值誤差位于-0.15%~0%范圍,即說明流量計的K系數比實際值變小。

  從以上的實驗結果中可以分析出,在大流量(Q=20m3/h)情況下,在流量計下游2D~7D位置處安裝測壓、測溫元件對流量計K系數影響比較平穩,且變化不大;而在流量點0.4Qmax條件下(Q=8m3/h),K系數變化幅度很大,且變化不均勻。
4參數l、α對渦街流量計流量點重復性的影響
  從圖7中可以看出,當α=0°時,不論在0.4Qmax=8m3/h,還是Qmax=20m3/h條件下,流量點的重復性很穩定,這說明模擬元件在各安裝點對流量計重復性的影響是有限的。

  當α變化時,不論是在45°,還是90°,各流量點的重復性都稍有波動,但是不論怎么變化,都是符合檢定要求的(圖8,圖9),即:流量計的重復性不得超過相應準確度等級規定的最大允許誤差絕對值的1/3。
5結束語
  由以上實驗結果可以看出,在大流量Qmax=20m3/h條件下,測壓、測溫元件安裝位于2D~7D位置時,對渦街流量計K系數的影響比較平穩;而在流量點Q=8m3/h時,渦街流量計K系數的波動比較大,可能會導致流量計的K系數有一定的偏差。在同一管道中,當流量增大時,瞬間流速隨著增加,經過旋渦發生體時,產生旋渦的能量也隨之增加,這樣傳感器就會接收到很強的信號,即使測壓、測溫元件的存在會對已形成的旋渦有一定的影響,但這個影響也是小范圍的。然而當流量降低時,隨之旋渦能量降低,傳感器接收到的信號也會減弱,此時測壓、測溫元件對旋渦的影響有了一定的突顯,導致所測量的K系數與實際值之間存在了一定的誤差。當這個誤差達到一定程度,會影響一個流量計的檢定結果。

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