上游单弯头和闸阀对涡街流量计测量性能影响

涡街流量计是一种基于流体振荡原理的新型速度式流量仪表，以其对流体物性变化的不敏感性、高可靠性和高精度等特点而被广泛应用于工业现场。自20世纪60年代末诞生以来，涡街流量计发展迅速，国内外学者分别对旋涡发生体形状、信号检测方式以及数字信号处理方法等方面展开了大量研究工作，并取得了显著成果。随着涡街流量计的推广和使用，其安装影响越来越受到人们的重视，安装环境、使用条件对其测量精度的影响成为需要关注的问题。

英国Surrey大学和英国国家工程实验室对上游安装单90°弯头、半开闸阀、不同平面的2个90°弯头3种阻流件情况分别进行了实验研究，讨论涡街流量计安装在其下游的测量精度。日本国家计量科学研究院的Takamto等通过实流实验方法，对4种不同形状的旋涡发生体在6种阻流件安装条件下的测量性能进行研究，通过分析每种阻流件情况下仪表系数的相对误差，最终给出了安装每种阻流件时保证涡街流量计测量精度所需的最短上游直管段长度，但对后直管段长度并未提及。此外，我国机械行业标准（JB/T9249—1999）中对涡街流量计在不同阻流件情况下的前后直管段长度也作了相应规定，但是规定中所推荐的直管段均较长，一般涡街流量计现场安装条件根本无法满足。而国外文章中给出的实验结果是否具有普适性，能否直接拿来使用值得推敲。目前国内针对涡街流量计安装使用条件的实验研究鲜见报道。本文针对100mm口径的涡街流量计开展了基准实验、上游单90°弯头和全开闸阀影响的实验研究，通过实验数据对平均仪表系数的相对误差、线性度和重复性进行分析与评价，最终给出了上游单弯头、全开闸阀条件下涡街流量计安装的前后直管段长度建议。

1 实验装置

实验是在天津大学天津市过程参数检测与控制重点实验室的水流量标准装置上完成的，实验管径100mm，图1为实验装置示意。水泵连续将水池里的水送入高位水塔，水塔通过溢流来保持水压的恒定。实验时，水从水塔的下水管引入到实验管道，依次流过标准表电磁流量计、实验样机涡街流量计，最后回到水池，通过调节阀门开度进行流量调节。实验采用计算机控制，实现对电磁流量计、涡街流量计输出信号的实时采集与处理。水流量标准装置精度可达0.1%。

图1 实验装置示意

实验样机为横河DY100-EBLBA1-2D一体型涡街流量计，口径100mm。该样机最大特点是采用了基于频谱分析的数字信号处理方法，保证了在较宽的测量范围内具有较高精度。可测流量范围7.5～248m3/h，精度可达1%。但是，受实验装置所能提供的流量范围限制，最小流量只能做到10m3/h，最大流量可以达到200m3/h。由于管道改造后压损增大，最终流量上限只能达到150m3/h左右，所以进行实流实验测试的流量范围为10～150m3/h。

2 实验方案设计

表1给出了此次研究的实验方案设计，共进行基准实验、上游单弯头和全开闸阀3大类共23组实流实验，均在图1所示的实验段X处进行。其中，基准实验是所有阻流件实验的参考基准，即认为涡街流量计入口为充分发展湍流流动，为其最佳使用条件，此时涡街流量计前直管段长度为100D（D为管道直径，D＝100mm），后直管段长度为10D。对于单弯头和全开闸阀的实验需要对装置进行改造后才能进行，图2所示为弯头和闸阀实验管道及组件的连接示意。

图2 弯头和闸阀实验管道及组件连接示意 通过不同管道组件的组合来实现不同前后直管段长度的实验。如表1所示，弯头实验进行前直管段分别为1D、3D、5D、10D、15D、20D，后直管段为3D、5D共12组实验，后直管段下游安装一个全开闸阀，作为后直管段长度的结束。同理，全开闸阀实验进行5种前直管段长度、2种后直管段长度共10组实验。与弯头实验不同的是，为了消除闸阀上游阻流件（弯头）对流场的影响，在实验段X上游设置了30D长的直管段，这样保证了与基准实验比较的差异均由闸阀安装引起。图3和图4分别为弯头实验前直管段20D、后直管段3D安装条件时和全开闸阀实验前直管段15D、后直管段5D安装条件时的管道现场安装示意。

3 实验结果分析与讨论

3.1 实验评价指标

根据涡街流量计检定规程（JJG1029—2007），当其安装满足充分发展的前后直管段要求时，评价涡街流量计测量精度的指标有量程比、线性度等。针对本文所讨论的上游存在阻流件且前后直管段改变的情况，评价指标包括平均仪表系数的相对误差、仪表系数线性度和重复性。

1）平均仪表系数的相对误差

每个流量检定点，在第i次检定时间内，涡街流量计输出脉冲数为Ni，流经涡街流量计的体积流量为Vi，则该流量点下第i次检定的仪表系数为

3.2 实验数据分析

根据实验装置所能达到的最宽流量范围，进行了单弯头和全开闸阀的实流实验.图5和图6分别为弯头实验和闸阀实验涡街流量计仪表系数K随流量Q变化的曲线。图中只给出了流量范围在24～150m3/h时相同后直管段情况下改变前直管段长度时的实验结果，虚线位置流量为28m3/h。需要说明的是，通过实流实验发现，该流量点是涡街流量计测量性能突变的一个分界点。小于该流量时涡街流量计的测量性能变差，且流量越低仪表系数下降越严重，因此图中仅给出24m3/h情况作为说明。表2列出了基于第3.1节的评价指标计算出的在分界流量点两侧时涡街流量计测量性能数据。