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。

 

引言：

  流量是現(xiàn)代工業(yè)測量中的一個(gè)重要參數(shù)。渦輪流量計(jì)具有測量精度高、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 燃 油 流 量 進(jìn) 行測量［2-3］。

 

  渦輪流量計(jì)的安裝要求較高，其上下游需有足夠長的直管段，同軸同口徑安裝。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院( NIST) 曾對上游安裝 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)對上游彎頭和漸縮管對渦輪流量計(jì)測量性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對渦輪流量 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)針對直管段長度對渦輪流量計(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，目前國內(nèi)尚未進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)。

  本文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)是一種流量測量儀表，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］。

  本次試驗(yàn)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：

  研究中選擇常用的 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 為本次試驗(yàn)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) JJG 1037-2008《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］，上游直管段長度為20 D，下游直管段長度為 10 D。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。

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，對每只流量計(jì)進(jìn)行 7 次校準(zhǔn)測試。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。

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 K 系數(shù)的影響越嚴(yán)重。對于 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)之間無明顯對應(yīng)關(guān)系。

 

通過式( 4) 對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)，直管段口徑改變造成的誤差遠(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 JJG 1037-2008 《渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程》中的安裝條件，對于高精度渦輪流量計(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度不同而引入的誤差。

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