上游單彎頭和閘閥對渦街流量計測量性能影響

鄭丹丹，唐興華，張 濤

(1. 天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院天津市過程檢測與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 中海石油(中國)有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司，天津 300452)

渦街流量計是一種基于流體振蕩原理的新型速度式流量儀表，以其對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．自20世紀(jì) 60年代末誕生以來，渦街流量計發(fā)展迅速，國內(nèi)外學(xué)者分別對旋渦發(fā)生體形狀[1-4]、信號檢測方式[5-7]以及數(shù)字信號處理方法[8-10]等方面展開了大量研究工作，并取得了顯著成果．隨著渦街流量計的推廣和使用，其安裝影響越來越受到人們的重視，安裝環(huán)境、使用條件對其測量精度的影響成為需要關(guān)注的問題．

英國 Surrey大學(xué)和英國國家工程實(shí)驗(yàn)室對上游安裝單 90°彎頭、半開閘閥、不同平面的 2個 90°彎頭 3種阻流件情況分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[11]，討論渦街流量計安裝在其下游的測量精度．日本國家計量科學(xué)研究院的Takamto等[12]通過實(shí)流實(shí)驗(yàn)方法，對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量性能進(jìn)行研究，通過分析每種阻流件情況下儀表系數(shù)的相對誤差，最終給出了安裝每種阻流件時保證渦街流量計測量精度所需的最短上游直管段長度，但對后直管段長度并未提及．此外，我國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T 9249—1999)中對渦街流量計在不同阻流件情況下的前后直管段長度也作了相應(yīng)規(guī)定，但是規(guī)定中所推薦的直管段均較長，一般渦街流量計現(xiàn)場安裝條件根本無法滿足．而國外文章中給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否具有普適性，能否直接拿來使用值得推敲．目前國內(nèi)針對渦街流量計安裝使用條件的實(shí)驗(yàn)研究鮮見報道．本文針對100,mm口徑的渦街流量計開展了基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、上游單 90°彎頭和全開閘閥影響的實(shí)驗(yàn)研究，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對平均儀表系數(shù)的相對誤差、線性度和重復(fù)性進(jìn)行分析與評價，最終給出了上游單彎頭、全開閘閥條件下渦街流量計安裝的前后直管段長度建議．

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)是在天津大學(xué)天津市過程參數(shù)檢測與控制重點(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100,mm，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，水塔通過溢流來保持水壓的恒定．實(shí)驗(yàn)時，水從水塔的下水管引入到實(shí)驗(yàn)管道，依次流過標(biāo)準(zhǔn)表電磁流量計、實(shí)驗(yàn)樣機(jī)渦街流量計，最后回到水池，通過調(diào)節(jié)閥門開度進(jìn)行流量調(diào)節(jié)．實(shí)驗(yàn)采用計算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)對電磁流量計、渦街流量計輸出信號的實(shí)時采集與處理．水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置精度可達(dá)0.1%．

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為橫河 DY100-EBLBA1-2D一體型渦街流量計，口徑 100,mm．該樣機(jī)最大特點(diǎn)是采用了基于頻譜分析的數(shù)字信號處理方法，保證了在較寬的測量范圍內(nèi)具有較高精度．可測流量范圍 7.5～248,m3/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，最小流量只能做到10 m3/h，最大流量可以達(dá)到 200,m3/h．由于管道改造后壓損增大，最終流量上限只能達(dá)到 150,m3/h左右，所以進(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn)測試的流量范圍為10～150,m3/h．

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Scheme of the facility

表1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計Tab.1 Experimental design

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

表1給出了此次研究的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計，共進(jìn)行基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、上游單彎頭和全開閘閥 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)為渦街流量計入口為充分發(fā)展湍流流動，為其最佳使用條件，此時渦街流量計前直管段長度為 100D(D為管道直徑，D＝100,mm)，后直管段長度為10,D．對于單彎頭和全開閘閥的實(shí)驗(yàn)需要對裝置進(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Fig.2 Component connection diagram of single bend and gate valve

通過不同管道組件的組合來實(shí)現(xiàn)不同前后直管段長度的實(shí)驗(yàn)．如表 1所示，彎頭實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前直管段分別為 1,D、3,D、5,D、10,D、15,D、20,D，后直管段為3,D、5,D共 12組實(shí)驗(yàn)，后直管段下游安裝一個全開閘閥，作為后直管段長度的結(jié)束．同理，全開閘閥實(shí)驗(yàn)進(jìn)行 5種前直管段長度、2種后直管段長度共 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)對流場的影響，在實(shí)驗(yàn)段 X上游設(shè)置了30,D長的直管段，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 20,D、后直管段 3,D安裝條件時和全開閘閥實(shí)驗(yàn)前直管段 15,D、后直管段 5,D安裝條件時的管道現(xiàn)場安裝示意．

圖3 彎頭實(shí)驗(yàn)管道安裝示意(前直管段20D，后直管段3D)Fig.3 Pipe diagram of bend test(upstream pipe 20D，downstream pipe 3D)

圖4 全開閘閥實(shí)驗(yàn)管道安裝示意(前直管段15D，后直管段5D)Fig.4 Pipe diagram of fully open gate valve(upstream pipe 15D，downstream pipe 5D)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)評價指標(biāo)

根據(jù)渦街流量計檢定規(guī)程(JJG 1029—2007)，當(dāng)其安裝滿足充分發(fā)展的前后直管段要求時，評價渦街流量計測量精度的指標(biāo)有量程比、線性度等．針對本文所討論的上游存在阻流件且前后直管段改變的情況，評價指標(biāo)包括平均儀表系數(shù)的相對誤差、儀表系數(shù)線性度和重復(fù)性．

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

整個流量范圍內(nèi)，共檢定m個流量點(diǎn)，則渦街流量計平均儀表系數(shù)為

2) 線性度δ1

3) 重復(fù)性2maxδ

每個流量點(diǎn)的重復(fù)性為

m個流量點(diǎn)中2δ的最大值2maxδ即為渦街流量計的重復(fù)性．

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)到的最寬流量范圍，進(jìn)行了單彎頭和全開閘閥的實(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 24～150,m3/h時相同后直管段情況下改變前直管段長度時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，虛線位置流量為 28,m3/h．需要說明的是，通過實(shí)流實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該流量點(diǎn)是渦街流量計測量性能突變的一個分界點(diǎn)．小于該流量時渦街流量計的測量性能變差，且流量越低儀表系數(shù)下降越嚴(yán)重，因此圖中僅給出 24,m3/h情況作為說明．表 2列出了基于第 3.1節(jié)的評價指標(biāo)計算出的在分界流量點(diǎn)兩側(cè)時渦街流量計測量性能數(shù)據(jù)．

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

(1) 在相同后直管段條件下，渦街流量計儀表系數(shù)隨流量的減小而逐漸增大，但在接近下限流量處會有一突降．從渦街流量計工作特性來分析，出現(xiàn)突降點(diǎn)是不合理的．分析可能造成的原因，小流量時渦街信號微弱不易檢測，加之實(shí)驗(yàn)裝置管道振動等干擾因素，會使渦街流量計輸出脈沖信號不穩(wěn)定，造成丟波或漏檢．雖然儀表系數(shù)的突降會造成渦街流量計測量性能變差，但從表 2的數(shù)據(jù)可以看出，在前直管段大于等于 5D時，測量性能仍可保證，即渦街流量計仍處于正常工作狀態(tài)．

圖5 彎頭實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.5 Experimental data of bend test

圖6 閘閥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.6 Experimental data of gate valve test

(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，直管段長度改變對小流量造成的影響比大流量時要大，即小流量時儀表系數(shù)偏差更大．

(4) 當(dāng)前直管段較長時，后直管段對儀表系數(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(見表2)．

對于流量小于28,m3/h的情況，如圖5和圖6所示在 24,m3/h流量點(diǎn)，前直管段越短，儀表系數(shù)下降越嚴(yán)重，造成在整個測量范圍(24～150,m3/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)流量計上游為單彎頭時，只有前直管段為 20,D時能夠滿足測量精度要求．當(dāng)為全開閘閥時，由于儀表系數(shù)非線性嚴(yán)重，所討論的直管段長度均不能滿足測量要求．由于在24,m3/h時渦街流量計受安裝條件影響已顯現(xiàn)出較差的測量性能，無法正常工作，因此更低流量點(diǎn)情況在本文不再討論．

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評價Tab.2 Evaluation on experimental data

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)的評價指標(biāo)和表 3給出的評價方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行了評價，給出了安裝使用渦街流量計的建議．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，上游阻流件對渦街流量計的影響不能忽略．

表3 評價方法Tab.3 Evaluation method

僅對流量在 28～150,m3/h情況給出評價結(jié)論：根據(jù)表3評價方法，如表2所示，對于上游安裝單彎頭，前直管段分別為 2,D、3,D，后直管段分別為 3,D、5,D共4種情況時，彎頭對渦街流量計的測量影響不能忽略；對于上游安裝全開閘閥，除了以上 4種前后直管段組合情況外，當(dāng)前直管段為 5,D，后直管段為3,D時，閘閥對渦街流量計的測量影響均不能忽略．

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

將本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與日本國家計量科學(xué)研究院Takamto等[12]對渦街流量計安裝影響研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，圖7所示為渦街流量計在彎頭和全開閘閥下游的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12]，橫軸為渦街流量計前直管段長度，以管道直徑D為最小單位，縱軸為平均儀表系數(shù)的相對誤差

圖7 渦街流量計安裝條件影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[12]Fig.7 Installation effects of vortex flowmeter[12]

1) 研究內(nèi)容不同

Takamto等[12]研究了 4種旋渦發(fā)生體的渦街流量計在 2種安裝角度和 2個雷諾數(shù)下前直管段的影響，圖 7中所示結(jié)果包含了多種因素，是一個綜合評價．2個雷諾數(shù)分別為3.0×105和7.0×106．

本實(shí)驗(yàn)針對一種典型渦街流量計在常規(guī)安裝角度(水平安裝，信號轉(zhuǎn)換器在上方)下不同前后直管段長度組合進(jìn)行研究，針對性更強(qiáng)．實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍為3.5×104～5.3×105．

2) 評價指標(biāo)不同

Takamto等[12]的研究中只有平均儀表系數(shù)的相對誤差作為評價指標(biāo)，且僅給出了相對誤差的分布圖(圖 7)，沒有關(guān)注在整個測量范圍內(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)相對誤差外，還對流量范圍內(nèi)儀表系數(shù)的重復(fù)性和線性度進(jìn)行了評價，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[12]的結(jié)論是：當(dāng)上游存在單彎頭阻流件時，渦街流量計所需最短上游直管段長度為 13D；當(dāng)上游存在全開閘閥阻流件時，渦街流量計所需最短上游直管段長度為5D．

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

5 結(jié) 語

通過實(shí)流實(shí)驗(yàn)定量研究了渦街流量計上游安裝單彎頭和全開閘閥 2種情況時對其測量性能的影響．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)的相對誤差、儀表系數(shù)的線性度和重復(fù)性作為評價指標(biāo)，最終給出了渦街流量計在2種安裝條件下的推薦前后直管段長度：

當(dāng)雷諾數(shù)為 1.0×105～5.3×105，單彎頭時，前直管段長度需滿足至少5,D，后直管段長度至少3,D；全開閘閥時，前直管段長度需滿足至少 5,D，后直管段長度至少 5,D，此時阻流件對渦街流量計的測量影響才能忽略．

當(dāng)雷諾數(shù)小于1.0×105時，由于小流量點(diǎn)的儀表系數(shù)嚴(yán)重減小，造成整個流量范圍內(nèi)渦街流量計的測量性能變差：單彎頭時，只有前直管段為 20,D時可以保證測量精度；全開閘閥時，前直管段 15,D已無法滿足精度要求．因此當(dāng)渦街流量計安裝在如彎頭、閘閥等非理想管道條件時，其在低雷諾數(shù)時的測量性能需要特別關(guān)注．

［1］ Sarioglu M，Yavuz T. Vortex shedding from circular and rectangular cylinders placed horizontally in a turbulent flow[J]. Turk J Engin Environ Sci，2000，24(4)：217-228.

［2］ Matsumoto M. Vortex shedding of bluff bodies：A review[J]. Journal of Fluids and Structures，1999，13(7/8)：791-811.

［3］ Bentley J P，Mudd J W. Vortex shedding mechanisms in single and dual bluff bodies [J]. Flow Measurement and Instrumentatio，2003，14(1/2)：23-31.

［4］ Peng Jiegang，F(xiàn)u Xin，Chen Ying. Flow measurement by a new type vortex flowmeter of dual triangulate bluff body[J]. Sensors and Actuators A，2004，115(1)：53-59.

［5］ Volker H，Harald W. Comparison of pressure and ultrasound measurements in vortex flow meters[J]. Measurement，2003，33(2)：121-133.

［6］ Bernhard M. Vortex flowmeter with enhanced accuracy and reliability by means of sensor fusion and selfvalidation[J]. Measurement，1997，22(3/4)：123-128.

［7］ Sun Zhiqiang，Zhang Hongjian，Zhou Jiemin. Investigation of the pressure probe properties as the sensor in the vortex flowmeter[J]. Sensors and Actuators A，2007，136(2)：646-655.

［8］ Xu Kejun， Huang Yunzhi，Lü Xunhong. Powerspectrum-analysis-based signal processing system of vortex flowmeters[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2006，55(3)：1006-1011.

［9］ Sun Hongjun，Zhang Tao. Digital signal processing based on wavelet and statistics method for vortex flowmeters[C]// Proceedings of the Third International Conference on Machine Learning and Cybernetics.Shanghai，China：2004，26-29.

［10］ Zheng Dandan，Zhang Tao，Xing Juan，et al. Improvement of the HHT method and application in weak vortex signal detection[J]. Meas Sci Technol，2007，18(9)：2769-2776.

［11］ Mottram R C. Vortex flowmeters—Installation effects[J]. Flow Measurement and Instrumentation，1991，2(1)：56-60.

［12］ Takamoto M，Utsumi H，Watanabe N，et al. Installation effects on vortex shedding flowmeters[J]. Flow Measurement and Instrumentation，1993，4(4)：277-285.