摘 要： 為了考察現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝環(huán)境和使用條件對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量精度的影響，對(duì)DN100渦街流量計(jì)進(jìn)行了基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、上游單個(gè)90°彎頭和全開(kāi)閘閥共23組實(shí)流實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(duì)誤差、儀表系數(shù)的線性度和重復(fù)性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，zui終給出了渦街流量計(jì)在2種安裝條件下的推薦前后直管段長(zhǎng)度：雷諾數(shù)在1.0×10⁵～5.3×10⁵單彎頭時(shí)，前直管段長(zhǎng)度至少5D，后直管段長(zhǎng)度至少3D；全開(kāi)閘閥時(shí)，前直管段長(zhǎng)度至少5D，后直管段長(zhǎng)度至少5D，此時(shí)彎頭和閘閥對(duì)渦街流量計(jì)的測(cè)量影響才能忽略。雷諾數(shù)在 3.5×10⁴～5.3×10⁵時(shí)，小流量點(diǎn)處儀表系數(shù)的嚴(yán)重下降導(dǎo)致渦街流量計(jì)在2種安裝條件下均無(wú)法達(dá)到測(cè)量精度。 
關(guān)鍵字： 渦街流量計(jì) 單彎頭 閘閥 儀表系數(shù) 線性度 重復(fù)性 

渦街流量計(jì)是一種基于流體振蕩原理的新型速度式流量?jī)x表，以其對(duì)流體物性變化的不敏感性、高可靠性和高精度等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。自20世紀(jì)60年代末誕生以來(lái)，渦街流量計(jì)發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別對(duì)旋渦發(fā)生體形狀、信號(hào)檢測(cè)方式以及數(shù)字信號(hào)處理方法等方面展開(kāi)了大量研究工作，并取得了顯著成果。隨著渦街流量計(jì)的推廣和使用，其安裝影響越來(lái)越受到人們的重視，安裝環(huán)境、使用條件對(duì)其測(cè)量精度的影響成為需要關(guān)注的問(wèn)題。 

英國(guó)Surrey大學(xué)和英國(guó)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室對(duì)上游安裝單90°彎頭、半開(kāi)閘閥、不同平面的2個(gè)90°彎頭3種阻流件情況分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，討論渦街流量計(jì)安裝在其下游的測(cè)量精度。日本國(guó)家計(jì)量科學(xué)研究院的Takamto等通過(guò)實(shí)流實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)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(cè)量性能進(jìn)行研究，通過(guò)分析每種阻流件情況下儀表系數(shù)的相對(duì)誤差，zui終給出了安裝每種阻流件時(shí)保證渦街流量計(jì)測(cè)量精度所需的zui短上游直管段長(zhǎng)度，但對(duì)后直管段長(zhǎng)度并未提及。此外，我國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T9249—1999）中對(duì)渦街流量計(jì)在不同阻流件情況下的前后直管段長(zhǎng)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(zhǎng)，一般渦街流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件根本無(wú)法滿足。而國(guó)外文章中給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否具有普適性，能否直接拿來(lái)使用值得推敲。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)渦街流量計(jì)安裝使用條件的實(shí)驗(yàn)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本文針對(duì)100mm口徑的渦街流量計(jì)開(kāi)展了基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、上游單90°彎頭和全開(kāi)閘閥影響的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差、線性度和重復(fù)性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，zui終給出了上游單彎頭、全開(kāi)閘閥條件下渦街流量計(jì)安裝的前后直管段長(zhǎng)度建議。 

1 實(shí)驗(yàn)裝置 

實(shí)驗(yàn)是在天津大學(xué)天津市過(guò)程參數(shù)檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上完成的，實(shí)驗(yàn)管徑100mm，圖1為實(shí)驗(yàn)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(guò)溢流來(lái)保持水壓的恒定。實(shí)驗(yàn)時(shí)，水從水塔的下水管引入到實(shí)驗(yàn)管道，依次流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表電磁流量計(jì)、實(shí)驗(yàn)樣機(jī)渦街流量計(jì)，zui后回到水池，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與處理。水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置精度可達(dá)0.1%。

 
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為橫河DY100-EBLBA1-2D一體型渦街流量計(jì)，口徑100mm。該樣機(jī)zui大特點(diǎn)是采用了基于頻譜分析的數(shù)字信號(hào)處理方法，保證了在較寬的測(cè)量范圍內(nèi)具有較高精度。可測(cè)流量范圍7.5～248m3/h，精度可達(dá)1%。但是，受實(shí)驗(yàn)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(dá)到200m3/h。由于管道改造后壓損增大，zui終流量上限只能達(dá)到150m3/h左右，所以進(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn)測(cè)試的流量范圍為10～150m3/h。 

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 

表1給出了此次研究的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，共進(jìn)行基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、上游單彎頭和全開(kāi)閘閥3大類共23組實(shí)流實(shí)驗(yàn)，均在圖1所示的實(shí)驗(yàn)段X處進(jìn)行。其中，基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)是所有阻流件實(shí)驗(yàn)的參考基準(zhǔn)，即認(rèn)為渦街流量計(jì)入口為充分發(fā)展湍流流動(dòng)，為其使用條件，此時(shí)渦街流量計(jì)前直管段長(zhǎng)度為100D（D為管道直徑，D＝100mm），后直管段長(zhǎng)度為10D。對(duì)于單彎頭和全開(kāi)閘閥的實(shí)驗(yàn)需要對(duì)裝置進(jìn)行改造后才能進(jìn)行，圖2所示為彎頭和閘閥實(shí)驗(yàn)管道及組件的連接示意。

 
圖2 彎頭和閘閥實(shí)驗(yàn)管道及組件連接示意

通過(guò)不同管道組件的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)不同前后直管段長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)。如表1所示，彎頭實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(shí)驗(yàn)，后直管段下游安裝一個(gè)全開(kāi)閘閥，作為后直管段長(zhǎng)度的結(jié)束。同理，全開(kāi)閘閥實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5種前直管段長(zhǎng)度、2種后直管段長(zhǎng)度共10組實(shí)驗(yàn)。與彎頭實(shí)驗(yàn)不同的是，為了消除閘閥上游阻流件（彎頭）對(duì)流場(chǎng)的影響，在實(shí)驗(yàn)段X上游設(shè)置了30D長(zhǎng)的直管段，這樣保證了與基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)比較的差異均由閘閥安裝引起。圖3和圖4分別為彎頭實(shí)驗(yàn)前直管段20D、后直管段3D安裝條件時(shí)和全開(kāi)閘閥實(shí)驗(yàn)前直管段15D、后直管段5D安裝條件時(shí)的管道現(xiàn)場(chǎng)安裝示意。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 

3.1 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo) 

根據(jù)渦街流量計(jì)檢定規(guī)程（JJG1029—2007），當(dāng)其安裝滿足充分發(fā)展的前后直管段要求時(shí)，評(píng)價(jià)渦街流量計(jì)測(cè)量精度的指標(biāo)有量程比、線性度等。針對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)包括平均儀表系數(shù)的相對(duì)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(duì)誤差 

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

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 

根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置所能達(dá)到的zui寬流量范圍，進(jìn)行了單彎頭和全開(kāi)閘閥的實(shí)流實(shí)驗(yàn).圖5和圖6分別為彎頭實(shí)驗(yàn)和閘閥實(shí)驗(yàn)渦街流量計(jì)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(shí)相同后直管段情況下改變前直管段長(zhǎng)度時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，虛線位置流量為28m3/h。需要說(shuō)明的是，通過(guò)實(shí)流實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該流量點(diǎn)是渦街流量計(jì)測(cè)量性能突變的一個(gè)分界點(diǎn)。小于該流量時(shí)渦街流量計(jì)的測(cè)量性能變差，且流量越低儀表系數(shù)下降越嚴(yán)重，因此圖中僅給出24m3/h情況作為說(shuō)明。表2列出了基于第3.1節(jié)的評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算出的在分界流量點(diǎn)兩側(cè)時(shí)渦街流量計(jì)測(cè)量性能數(shù)據(jù)。

 
圖5 彎頭實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖5和圖6中可以看出，當(dāng)流量在28～150m3/h時(shí)，無(wú)論是單彎頭還是閘閥，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都具有以下特征。

 
圖6 閘閥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1）在相同后直管段條件下，渦街流量計(jì)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(huì)有一突降。從渦街流量計(jì)工作特性來(lái)分析，出現(xiàn)突降點(diǎn)是不合理的。分析可能造成的原因，小流量時(shí)渦街信號(hào)微弱不易檢測(cè)，加之實(shí)驗(yàn)裝置管道振動(dòng)等干擾因素，會(huì)使渦街流量計(jì)輸出脈沖信號(hào)不穩(wěn)定，造成丟波或漏檢。雖然儀表系數(shù)的突降會(huì)造成渦街流量計(jì)測(cè)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(shí)，測(cè)量性能仍可保證，即渦街流量計(jì)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(jì)平均儀表系數(shù)逐漸增大，即曲線逐漸上移。 

（3）與基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)相比，直管段長(zhǎng)度改變對(duì)小流量造成的影響比大流量時(shí)要大，即小流量時(shí)儀表系數(shù)偏差更大。 

（4）當(dāng)前直管段較長(zhǎng)時(shí)，后直管段對(duì)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(jiàn)表2）。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià) 

對(duì)于流量小于28m3/h的情況，如圖5和圖6所示在24m3/h流量點(diǎn)，前直管段越短，儀表系數(shù)下降越嚴(yán)重，造成在整個(gè)測(cè)量范圍（24～150m3/h）內(nèi)儀表系數(shù)非線性越嚴(yán)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(dāng)流量計(jì)上游為單彎頭時(shí)，只有前直管段為20D時(shí)能夠滿足測(cè)量精度要求。當(dāng)為全開(kāi)閘閥時(shí)，由于儀表系數(shù)非線性嚴(yán)重，所討論的直管段長(zhǎng)度均不能滿足測(cè)量要求。由于在24m3/h時(shí)渦街流量計(jì)受安裝條件影響已顯現(xiàn)出較差的測(cè)量性能，無(wú)法正常工作，因此更低流量點(diǎn)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(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄，并基于第3.1節(jié)的評(píng)價(jià)指標(biāo)和表3給出的評(píng)價(jià)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，給出了安裝使用渦街流量計(jì)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(duì)渦街流量計(jì)的影響不能忽略。 

僅對(duì)流量在28～150m3/h情況給出評(píng)價(jià)結(jié)論：根據(jù)表3評(píng)價(jià)方法，如表2所示，對(duì)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(shí)，彎頭對(duì)渦街流量計(jì)的測(cè)量影響不能忽略；對(duì)于上游安裝全開(kāi)閘閥，除了以上4種前后直管段組合情況外，當(dāng)前直管段為5D，后直管段為3D時(shí)，閘閥對(duì)渦街流量計(jì)的測(cè)量影響均不能忽略。

表3 評(píng)價(jià)方法 

4 與國(guó)外相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較 

將本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與日本國(guó)家計(jì)量科學(xué)研究院Takamto等對(duì)渦街流量計(jì)安裝影響研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，圖7所示為渦街流量計(jì)在彎頭和全開(kāi)閘閥下游的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，橫軸為渦街流量計(jì)前直管段長(zhǎng)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(duì)誤差。

 
圖7 渦街流量計(jì)安裝條件影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1）研究?jī)?nèi)容不同 

Takamto等研究了4種旋渦發(fā)生體的渦街流量計(jì)在2種安裝角度和2個(gè)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(gè)綜合評(píng)價(jià)。2個(gè)雷諾數(shù)分別為3.0×10⁵和7.0×10⁶。 

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)一種典型渦街流量計(jì)在常規(guī)安裝角度（水平安裝，信號(hào)轉(zhuǎn)換器在上方）下不同前后直管段長(zhǎng)度組合進(jìn)行研究，針對(duì)性更強(qiáng).實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍為3.5×10⁴～5.3×10⁵。 

2）評(píng)價(jià)指標(biāo)不同 

Takamto等的研究中只有平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，且僅給出了相對(duì)誤差的分布圖（圖7），沒(méi)有關(guān)注在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)儀表系數(shù)的特性。 

本實(shí)驗(yàn)中除關(guān)注平均儀表系數(shù)相對(duì)誤差外，還對(duì)流量范圍內(nèi)儀表系數(shù)的重復(fù)性和線性度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，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(dāng)上游存在單彎頭阻流件時(shí)，渦街流量計(jì)所需zui短上游直管段長(zhǎng)度為13D；當(dāng)上游存在全開(kāi)閘閥阻流件時(shí)，渦街流量計(jì)所需zui短上游直管段長(zhǎng)度為5D。 

本實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)論：當(dāng)流量在28～150m3/h，渦街流量計(jì)上游存在單彎頭時(shí)，其所需zui短上游直管段長(zhǎng)度為5D，下游直管段長(zhǎng)度為3D；上游存在全開(kāi)閘閥時(shí)，渦街流量計(jì)所需zui短上游直管段長(zhǎng)度為5D，下游直管段長(zhǎng)度為5D。當(dāng)流量小于28m3/h時(shí)，渦街流量計(jì)儀表系數(shù)明顯下降，已無(wú)法正常工作。這說(shuō)明，阻流件對(duì)小流量測(cè)量性能影響嚴(yán)重，若仍想保證測(cè)量精度，則需犧牲流量測(cè)量范圍。 

5 結(jié)語(yǔ) 

通過(guò)實(shí)流實(shí)驗(yàn)定量研究了渦街流量計(jì)上游安裝單彎頭和全開(kāi)閘閥2種情況時(shí)對(duì)其測(cè)量性能的影響。共進(jìn)行了包括基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)在內(nèi)23組實(shí)流實(shí)驗(yàn)，雷諾數(shù)范圍為3.5×10⁴～5.3×10⁵。以平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差、儀表系數(shù)的線性度和重復(fù)性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，zui終給出了渦街流量計(jì)在2種安裝條件下的推薦前后直管段長(zhǎng)度： 

當(dāng)雷諾數(shù)為1.0×10⁵～5.3×10⁵，單彎頭時(shí)，前直管段長(zhǎng)度需滿足至少5D，后直管段長(zhǎng)度至少3D；全開(kāi)閘閥時(shí)，前直管段長(zhǎng)度需滿足至少5D，后直管段長(zhǎng)度至少5D，此時(shí)阻流件對(duì)渦街流量計(jì)的測(cè)量影響才能忽略。 

當(dāng)雷諾數(shù)小于1.0×10⁵時(shí)，由于小流量點(diǎn)的儀表系數(shù)嚴(yán)重減小，造成整個(gè)流量范圍內(nèi)渦街流量計(jì)的測(cè)量性能變差：?jiǎn)螐濐^時(shí)，只有前直管段為20D時(shí)可以保證測(cè)量精度；全開(kāi)閘閥時(shí)，前直管段15D已無(wú)法滿足精度要求。因此當(dāng)渦街流量計(jì)安裝在如彎頭、閘閥等非理想管道條件時(shí)，其在低雷諾數(shù)時(shí)的測(cè)量性能需要特別關(guān)注。(end)北京富瑞恒創(chuàng)科技有限公司。