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前后直管內(nèi)徑對(duì)渦輪流量計(jì)的影響
發(fā)布時(shí)間:2019-09-12

摘要:渦輪流量計(jì)在安裝和使用過程中往往存在直管段口徑與流量計(jì)通徑不完全一致的現(xiàn)象。選取CL系列和LWGY系列渦輪流量計(jì),在燃油動(dòng)態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了上下游直管段不同口徑條件下的校準(zhǔn)試驗(yàn),從而得到直管段口徑對(duì)渦輪流量計(jì)K系數(shù)的影響。試驗(yàn)證明,直管段口徑所引入的誤差不可忽視,因此在使用或校準(zhǔn)渦輪流量計(jì)時(shí)應(yīng)務(wù)必保證直管段口徑與流量計(jì)通徑一致。
0引言
  流量是現(xiàn)代工業(yè)測(cè)量中的一個(gè)重要參數(shù)。渦輪流量計(jì)具有測(cè)量精度高、量程范圍寬、重復(fù)性與動(dòng)態(tài)特性好等特點(diǎn)[1],廣泛用于流量測(cè)量領(lǐng)域,例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)、發(fā)動(dòng)機(jī)附件試驗(yàn)器、發(fā)動(dòng)機(jī)半物理仿真試車臺(tái)實(shí)驗(yàn)中均選用渦輪流量計(jì)對(duì)燃油流量進(jìn)行測(cè)量[2-3]。
  渦輪流量計(jì)的安裝要求較高,其上下游需有足夠長(zhǎng)的直管段,同軸同口徑安裝。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)曾對(duì)上游安裝90°單彎頭和異面90°雙彎頭分別進(jìn)行了試驗(yàn)研究[4],天津大學(xué)對(duì)上游彎頭和漸縮管對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并對(duì)渦輪流量計(jì)前導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)和性能也進(jìn)行了相關(guān)研究[5-6],哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對(duì)直管段長(zhǎng)度對(duì)渦輪流量計(jì)精度的影響進(jìn)行了分析[7]。但是在渦輪流量計(jì)的使用與檢定校準(zhǔn)過程中,上下游直管段的通徑往往不會(huì)與流量計(jì)的通徑完全一致,同樣會(huì)直接影響渦輪流量計(jì)的準(zhǔn)確度和校準(zhǔn)結(jié)果,目前國(guó)內(nèi)尚未進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)。選取了典型渦輪流量計(jì),進(jìn)行了渦輪流量計(jì)變口徑管路試驗(yàn)。
1試驗(yàn)裝置
  渦輪流量計(jì)是一種流量測(cè)量?jī)x表,流動(dòng)流體的動(dòng)力驅(qū)使渦輪葉片旋轉(zhuǎn),其旋轉(zhuǎn)速度與體積流量近似成比例。通過流量計(jì)的流體體積值是以渦輪葉輪轉(zhuǎn)數(shù)為基準(zhǔn)的。渦輪流量計(jì)主要由傳感器和轉(zhuǎn)換器組成。使用儀表K系數(shù)或累積流量來計(jì)算流量計(jì)的示值誤差[8]。

  式中:K為儀表系數(shù),m-3或L-1;N為流量計(jì)顯示儀表測(cè)得的脈沖數(shù);V為標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)得的實(shí)際體積,m3或L。
所使用的標(biāo)準(zhǔn)裝置為燃油動(dòng)態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,該裝置采用體積管法,測(cè)量擴(kuò)展不確定度為U=0.05%(k=2),其原理如圖1所示。

  燃油動(dòng)態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理為:工作過程中電機(jī)旋轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)體積管活塞左行,排出液體流經(jīng)控制閥門及被檢流量計(jì)后,經(jīng)過過濾器回到儲(chǔ)油箱;同時(shí),儲(chǔ)油箱里的油經(jīng)過下游管段進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)體積管[9]。
2試驗(yàn)內(nèi)容
  選擇常用的CL系列渦輪流量計(jì)和LWGY系列渦輪流量計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。分別選取DN4,DN6和DN10口徑的流量計(jì),且均為0.5級(jí)。
  圖2為渦輪流量計(jì)的安裝示意圖,圖中D為被校渦輪流量計(jì)的通徑,d為上下游直管段的內(nèi)壁直徑。依據(jù)JJG1037-2008《渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程》的要求,保證上下游的直管段與被校流量計(jì)同軸安裝,并且連接處的密封墊不得凸入流體管道內(nèi)[9],上游直管段長(zhǎng)度為20D,下游直管段長(zhǎng)度為10D。試驗(yàn)過程中,保證試驗(yàn)流體為單相液體,介質(zhì)為航空燃油RP-3。
渦輪流量計(jì)安裝示意圖
  在試驗(yàn)過程中,為每只流量計(jì)配制了7組不同口徑的直管段,對(duì)每只流量計(jì)進(jìn)行7次校準(zhǔn)測(cè)試。設(shè)K為渦輪流量計(jì)通徑與直管段通徑的比值,則有

  其中,0.75<K<1.2。在此基礎(chǔ)上,每次試驗(yàn)過程中,根據(jù)流量計(jì)的流量范圍,選取9個(gè)流量點(diǎn),每個(gè)流量點(diǎn)校準(zhǔn)3次。流量計(jì)的銘牌信息及直管段口徑選擇詳見表1。

3試驗(yàn)結(jié)果
  選取h=1,即以上下游管路直徑與渦輪流量計(jì)的口徑完全一致時(shí)渦輪流量計(jì)的值作為標(biāo)準(zhǔn)值,用KU表示,根據(jù)式(3)對(duì)其它工況下試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化。

  式中:E為其它工況與標(biāo)準(zhǔn)工況下的系數(shù)差值比;KU為標(biāo)準(zhǔn)工況下的儀表系數(shù),m-3或L-1;Ki為其它工況下的儀表系數(shù),m-3或L-1。
  圖3~圖8分別為流量計(jì)的K系數(shù)曲線圖和無量綱化后的差值比曲線圖。
渦輪流量計(jì)K系數(shù)曲線圖和K系數(shù)差值比曲線圖
  從K系數(shù)曲線圖中可以看出,不同直管段口徑會(huì)影響儀表K系數(shù),但是與儀表本身K系數(shù)的變化趨勢(shì)一致。



  從K系數(shù)差值比曲線圖中可以看出,直管段通徑d與流量計(jì)通徑D的差值越大,則對(duì)K系數(shù)的影響越嚴(yán)重。對(duì)于CL系列渦輪流量計(jì),若d<D,則儀表K系數(shù)會(huì)減小;若d>D,則儀表K系數(shù)會(huì)增大;而對(duì)于LWGY系列渦輪流量計(jì),d的變化與儀表K系數(shù)之間無明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。
  通過式(4)對(duì)不同工況下儀表系數(shù)波動(dòng)Δ情況進(jìn)行計(jì)算。

  式中:Kmax為同一流量點(diǎn)下不同工況下儀表系數(shù)最大值;Kmin為同一流量點(diǎn)下不同工況下儀表系數(shù)最小值。
  從表2中可以得到,試驗(yàn)中系數(shù)最大相差2.7%之多,所選進(jìn)行試驗(yàn)渦輪流量計(jì)最大允許誤差為0.5級(jí),直管段口徑改變?cè)斐傻恼`差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過流量計(jì)的最大允許誤差。

4結(jié)論
  在渦輪流量計(jì)的檢定校準(zhǔn)過程中,校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室會(huì)保證直管段口徑與流量計(jì)口徑一致,而在實(shí)際使用過程中,直管段口徑往往很難滿足要求,因此直接應(yīng)用檢定校準(zhǔn)結(jié)果,勢(shì)必引入誤差。建議各單位在設(shè)計(jì)渦輪流量計(jì)上下游管路時(shí)務(wù)必保證JJG1037-2008《渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程》中的安裝條件,對(duì)于精度高渦輪流量計(jì),必要時(shí),應(yīng)當(dāng)將渦輪流量計(jì)上下游直管段與流量計(jì)一同送至檢定單位,以減少直管段口徑和長(zhǎng)度不同而引入的誤差。

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