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  時間:2023-7-6 08:36:48

渦街流量計實現干法校準---旋渦發生體的標準化

大部分流量儀表(如電磁流量計、渦輪流量計、科里奧利質量流量計)是以實流校準,即用實際流體流過被校儀表,再用別的標準裝置(標準流量計或流量標準裝置)測出流過被校準儀表的流量,與被校儀表的流量值作比較,或將被校儀表進行分度。這種實流校準方法又稱作濕法校準。渦街流量計曾也用實流校準法。還有一種稱作干法校準的間接方法,是以測量流量傳感部分的結構尺寸或其他與計算流量有關的量,并按規定使用,間接校準儀表流量值.獲得相應測量精確度。
  雖然渦街流量計當前仍采用實流校準流量,但因其流量傳感件形狀簡單,與孔板相仿具有實現間接法校準的潛在可行性。十余年前國際上就有人按標準.節流裝置的思路探索實施旋渦發生標準化方面工作。1994年日本工業技術院計量研究所曾在FLOMEKO'94會.上提出標準旋渦發生體研究的階段性報告,報告結論稱渦街流量計干法校準的不確定度小于孔板,僅為0.3%。重慶工業自動化儀表研究所在”七五”期間亦曾開展這項研究工作,設計制作DN50/DN100儀表的旋渦發生體近200套,實驗求取各參數敏感系數、幾何尺寸公差、安裝要求和安裝條件影響等,獲得第一階段成果。在這一成果的基礎上,制訂渦街流量傳感器行業標準(ZBN12006-89)和國家計量檢定規程(JJG620-89).采用了部分內容,但未形成標準渦街流量計和干法校準的國家標準。
  1989年日本制訂了渦街流量計工業標準JISZ8766《渦街流量計一流量測量方法》(以下簡稱《標準》),2002年修訂時設一專章,納入了標準渦街流量計的研究成果,在《標準》的“解說“部分說明確定旋渦發生體各要素的依據,例舉典型實驗數據。下文扼要轉述《標準》中旋渦發生體形狀、尺寸及其允差,各尺寸對斯特勞哈爾(Strouhal)數的敏感性,不確定度分析等。
一標準旋渦發生體形狀和尺寸
  標準渦街流量計的旋渦發生體是截角的等腰三角形六面體截面柱.形狀和尺寸如圖1、表1所示,。所選定尺寸是經一系列優化實驗后的最優尺寸。例如所選取W=0.28D和H=0.35D是在一組斯特勞哈爾數(Si)-雷諾數Ren關系線中(分別見圖2和圖3)最為平坦,即儀表可獲得最好的線性度。
 
 
  按標準旋渦發生體制造的渦街流量計可以不用實流校準,保證達到預期測量精確度。當前《標準》適用范圍口徑為100~600mm,Reo為1x105~2x106,是本次制訂《標準》時的實驗范圍,隨著今后進一步研究,下次修訂時適用范圍有可能擴大。
 
二.標準旋渦發生體的斯特勞哈爾數St
  《標準》規定的旋渦發生體按插入測量管頂端是否固定分為標準1型和標準2型兩種,其S:值微有差異,如表2。標準1型多數實驗儀表口徑為DN100DN400,St與Reo無關平均值為0.25033.其標準偏差為0.12%;標準2型實驗口徑為DN150和DN200,實.驗數據的擬合線為近似二折線,St與Ren有關。
 
  僅從St-Ren關系在性能上考察,標準1型優于標準2型,然而流體中微粒子堵塞旋渦發生體臺座與測量管間的隙縫,將引起特性大幅變化,因此從實用觀點考慮再.增加無隙縫的標準2型。但是標準2型易受上游管件等擾流影響,《標準》規定必須在儀表上游10D處裝置明石型多孔板流動調整器(FlowCondi-tioner)組合使用。
三.斯特勞哈爾數不確定度分析和評估
  St數的擴展不確定度Est(包含因子k=2)如下式:
 
  式中,等式右邊前9項是旋渦發生體各結構要素的允差(前附加記號δ),后6項是旋渦發生體與測量管間裝配的偏心距/角度(η、e、α、β)允差(含義和符號如圖4所示)、直管段長度附加不確定度(ur)等因素。
  經研究分析所定式(1)各不確定性因素項中,其系數中包括經實驗求得的敏感系數。St數不確定度uc(St)按不確定度傳播律由式(2)合成求得:
 
  式中,u(xi)是以各參數xi的標準不確定度表示,最后7項不是旋渦發生體結構參數的不確定度。Ua包含有旋渦發生體平行部和上游面間的角度、旋渦發生體/測量管表面粗糙度等的不確定度;usro是測量St數時校準設備引起的附加不確定度;Uf是上游擾流管件形成流動畸變和旋轉流產生的附加不確定度。
  us和Ustd是需確定的值,但在校準設備充分長直管可忽略ur情況下,測得標準1型St數的標準偏差為0.0003.即可得到:uz2+usro2=0.0003(3)
  一般機械零件設計規定尺寸允差δ(xi),實際制造尺寸分布假設為三角形分布,其標準不確定度u(xi)如式(4)所示:u(xi)=δ(xi)/J6(4)
通常擴展不確定度的包含因子k=2.擴展不確定度Est=Kuc(St)=2uc(St),再從式(4).并對尺寸允差無次元化,變換后得式(5),再代入敏感系數ε,就成為前文式(1),式中uf將在下文說明。
 
  《標準》解說部分列舉了W.T.Gw三個結構參數求取敏感系數的實驗數據如表3,從旋渦發生體寬度W對St數的敏感性圖中可求出敏感系數1.208.
四.標準渦街流量計前后直管段長度要求和安裝影響
  為控制前文提到流動擾動引起的不確定度uf,《標準》正文提出儀表前后直管段長度和其他安裝條件要求:
(1)在規定附加相應不確定度下.如《標準》中圖例。
(2)從旋渦發生體中心軸下游側1D的流通通道(測量管或管道)內,不能有臺階。
(3)使用標準2型時,須在流量計上游10D處裝明石型多孔流動調整器,其X-X(水平)軸必須與旋渦發生體軸平行安裝。
  解說“部分列出確定六種擾流管件直管段長度要求的依據(12幀實驗數據圖),從中可了解直管段不足時對St數的影響程度。例如標準1型在單彎管擾流下不同直管段長度的附加誤差.不足規定30D僅10D時St數增大約0.8%。
 
  流動調整器的安裝:“解說”還列出標準2型儀表不裝流動調整器St數的實驗數據圖,與裝流動調整相比,變化0.7%左右,流動調整器與儀表間組裝于不同距離和不同位置孔轉角影響St數的實驗數據圖2幀,說明St變化達0.5%~0.8%。
  測量通道臺階影響:“解說“闡明儀表測量內徑和前后管路內徑差異形成臺階影響的實驗數據圖3幀,文件認為試驗尚不夠充分,因此未納入《標準》正文。所例舉儀表內徑151mm,測量管長151mm,旋渦發生體置于中點,連接到3種內徑:A=146.5mm、B=1555mm、C=159.2mm的前后直管,按臺階與旋渦發生體軸間距作4組配置,即(1)上游側0.5D,下游測0.5D;(2)上游側1D,下游側0.5D;(3).上游側0.5D,下游側1D;(4).上游側1D,下游側1D。所測得的St數與無臺階管段相比,變化如表4。從中可看出:前后直管內徑小于儀表測量管內徑比大于測量管內徑影響大:后臺階的影響大于前臺階的影響。筆者認為渦街流量計后直管內徑與儀表內徑差的影響比前直管大這一現象,與其他流量儀表(如節流差壓流量計、渦輪流量計、電磁流量計)前直管影響大的常例相反.值得關注。
 
  管軸偏心影響:儀表測量管與管道不同心度形成的附加誤差,從”解說”提供內徑151mm儀表的實驗數據證明是不容忽視的。偏心4.5mm(口徑的3%.偏心口與旋渦發生體軸相距0.5D)時附加誤差達3%以上。若測量管較長,偏心口與旋渦發生體軸相距1.5D以上時,影響可大為減小。筆者認為從這一實驗看出,制造廠為使儀表輕巧和降低成本,測量管長度設計過短,實質上對使用者提高了要求和費用,從總體考慮并不合理。
五.結束語
  JISZ8766提出了標準旋渦流量計的方案和基礎實驗典型數據,我們可借鑒這一文件開展旋渦流量計干法校準方面的工作。日本標準協會(JSA)準備向國際標化組織(ISO)提出,將JISZ8766作為渦街流量計國際標準草案。期待國際標準化后的渦街流量計能像標準孔板等節流差壓流量計那樣普及。
  《標準》提出幾種擾流件的直管長度要求、管段臺階和管軸偏心影響等實驗數據,特別是后兩者作為標準附件內容,在各國“標準“中尚不多見,很有價值。雖然這些內容是針對特定的渦街流量計,但是對其他渦街流量計也可參照。

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