扰动对V锥流量计测量性能的影响

宁波市计量测试研究院

0 引言

为了降低流体扰动对差压式流量计测量性能带来的影响，节流装置的安装使用应具备相应的管道条件，上下游配置的直管段长度须满足相关技术要求。对于目前仍广泛使用的标准孔板来说，只要按标准[1-2]设计、制造，前后直管段的配管长度、内径、圆度等满足规范要求，安装使用前无需实流标定就可估算其测量误差。在各类技术交流及推介资料中，认为V锥流量计具有流体自整流能力，抗流动干扰性能强，直管段要求低的特点，提出前1D～3D、后0D～1D直管段，有些甚至提出了不需要配置直管段就可正常使用。对于提出直管段上述要求的合理性与科学性，由于没有扰动对V锥流量计测量性能的影响进行系统的研究，使得配多长的直管段才合适没有足够的实验数据支撑，对此业界一直持有不同的看法，急需通过实验来获得答案。V锥流量计是一种差压式流量仪表，虽然其结构具有一定的自整流能力，但其不对称的取压结构，锥体与管道的同轴度误差，管道、锥体圆度和焊接变形的影响及流场的复杂性，不可避免地会产生测量附加误差，更没有形成成套的技术手册用于指导设计、生产、安装与使用。为了获得第一手资料，定制了一台口径DN50，β为0.6的V锥流量传感器，并配置测量范围为6 kPa，准确度为0.2级，低零漂差压变送器，其输入差压与输出电流设置为线性关系，以提高小流量时输出电流的灵敏度；配置0.05级四位半数字多用表用于指示差压变送器输出电流值；工作介质水为牛顿流体，连续并充满圆管及节流件，并采用成套扰动器对V锥流量计进行抗扰动性能的实流测试。每次实验都由笔者搭建与操作，希望能有效降低人员、环境条件及其他因素对测量结果带来的影响。

1 试验结果

1.1 前直管段0D、3D处扰动试验

在前直管段0D、3D处分别安装圆片型扰动发生器，圆片型左漩漩涡扰动发生器，如图1所示，圆片型右漩漩涡扰动发生器，如图2所示，圆片型速度剖面流动扰动发生器，如图3所示，短接环如图4所示。

图1 圆片型左漩漩涡扰动发生器

图2 圆片型右漩漩涡扰动发生器

图3 圆片型速度剖面流动扰动发生器

图4 短接环

圆片型左漩、右漩漩涡扰动发生器可产生类似于直角连接的两个90°弯管所引起的漩涡。圆片型速度剖面流动扰动发生器可产生类似于突出的管道接头或尚未全开的闸阀所引起的漩涡。利用现有的工作条件，在直管段0D处从DN40直接扩大到DN50，使流动截面突然扩大，模拟日常使用中可能遇到的管道条件，研究当管道口径突变时，引起的扰流对V锥流量计所产生的影响。值得说明的是圆片型左漩漩涡扰动发生器、圆片型右漩漩涡扰动发生器、圆片型速度剖面流动扰动发生器是依据参考文献[3]附录B而设计制作。前直管段0D、3D设置扰动器的实验数据，如表1所示。

1.2 后直管段0D、3D扰动试验

后直管段0D、3D处分别安装圆片型左漩漩涡扰动发生器、圆片型右漩漩涡扰动发生器、圆片型速度剖面流动扰动发生器，同时进行了管径从DN50突变地缩小到DN40的试验。实验数据如表2所示。

表1 前直管段0D、3D设置扰动器的实验数据

表2 后直管段0D、3D设置扰动器的实验数据

2 数据处理

由于差压变送器的输出电流正比于输入差压，设未安装扰动器输出电流为I0，安装扰动器后输出电流为I，则输出电流的相对误差为[(I-I0)/I0]×100%。可得在前直管段0D、3D处扰动与无扰动时电流的相对误差曲线，如图5所示。后直管段0D、3D处扰动与无扰动时电流的相对误差曲线，如图6所示。

一般管道雷诺数ReD＜2 300为层流状态，ReD=2 000～4 000为过渡状态，ReD＞4 000为紊流状态，流体雷诺数的计算公式如下：

D—— 管道内径，mm；

ν—— 流体运动黏度，m2/s

差压式流量计需有适用的雷诺数ReD范围工作于湍流流动状态。当管道内径D为50 mm，水的运动黏度ν为1.006×10-6m2/s，雷诺数ReD取4 000时，则体积流量：

由此可知，体积流量在1.0～2.0 m3/h范围内为过渡状态。

由于流量与差压的方差成正比，故有流量与差压变送器输出电流的方差成正比。则流量的相对误差为

从式（2）可得，在前直管段0D、3D处扰动与无扰动时流量的相对误差曲线，如图7所示，后直管段0D、3D处扰动与无扰动时流量的相对误差曲线，如图8所示，其中将流量小于0.5 m3/h的电流信号切除（当流量值较小，电流I0接近4时，δ将很大，没有实际意义）。

图5 前直管段0D、3D处扰动时电流相对误差曲线

图6 后直管段0D、3D处扰动时电流相对误差曲线

图7 前直管段0D、3D处扰动时流量相对误差曲线

图8 后直管段0D、3D处扰动时流量相对误差曲线

3 试验中发现的现象

当流量增大到8 m3/h时，在以电磁流量计作为标准表的水流量标准装置上进行测试时，由于流量波动太大已难以读数。在用玻璃转子流量计进行比对测量时，能直观地发现浮子上下大范围地沉浮，管道内的压强波动较大，流速场变化明显。

另外，由于V锥流量计输出的差压较低，引压管液位的微小波动或差压变送器零漂对流量有着显著的影响。如在流量点1 m3/h处，实测输出电流仅为4.117 mA，由于差变的量程为6 kPa，对应的差压Δp= [（4.117 - 4）mA /（20 - 4）mA]×6 kPa ≈ 0.044 kPa。在流量计静态时，若管道内压力波动或引压管内气泡等原因导致引压管内压差不平衡，只要产生44 Pa相当于4.5 mm水柱的液位差，即可产生高达1 m3/h的虚假流量[4]。虽然V锥流量计的压损相对较小，但产生的差压也相对较低，因此，小流量时的测量误差应引起足够重视。

4 结语

1）在0D 处V锥流量计具有较好抗管道口径突变的能力。

2）前、后0D、3D处扰动对V锥流量计测量性能的影响不可忽视。

3）配置高准确度、低零漂差压变送器，差压引压管应具有良好的工作状态，否则，小信号有效切除的难度较大，并将缩减成套V锥流量计的范围度。

4）V锥流量计是一个典型的悬臂梁结构，即使是稳定流在支撑杆上流过，发生“卡门”涡街是不可避免的，同时受上游来流冲击也会产生时变加速度将诱发流体振荡，当与悬臂梁结构产生共振时将对测量结果产生较大影响。

由于阻流件类型的复杂多样，以及V锥流量计的结构、制造及安装等原因，对扰动产生测量误差的研究将是长期和艰巨的。通过扰动对V锥流量计测量性能影响的初步研究，抛砖引玉，将有效助推V锥流量计的技术进步与流量事业的发展。

[1]孙淮清，王建中.流量测量节流装置设计手册，2版[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2]全国工业过程测量和控制标准化技术委员会.GB 2624-2006用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量[S].北京：中国标准出版社，2006.

[3]全国工业过程测量和控制标准化技术委员会.GB/T 778.3-2007封闭满管道中水流量的测量 饮用冷水水表和热水水表 第3部分：试验方法和试验设备[S].北京：中国标准出版社，2008.

[4]孙梦翔.孔板蒸汽流量计差错量计算一例[J].工业计量，2012（4）：19-20.

[5]S N Singh，孙延祚.上游流动干扰对V锥流量计性能的影响[J].工业计量，2008，18（3）：24-29.