摘要：對DN100渦輪流量計進(jìn)行了基準實(shí)驗、上游90°單彎頭、90°雙彎頭和 90°單彎頭+DN150變DN100漸縮管+90°單彎頭共17組實(shí)流實(shí)驗。以?xún)x表系數、平均儀表系數相對誤差、線(xiàn)性度和不確定度作為評價(jià)指標，根據實(shí)驗結果*終給出了渦輪流量計在3種安裝條件下的推薦前后直管段長(cháng)度，此時(shí)3種安裝條件對渦輪流量計的測量影響才能忽略。

法蘭連接式渦輪流量計是一種常用的速度式流量?jì)x表，它具有精度高、不確定度好、量程范圍寬及體積小等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應用于石油、化工、冶金、輕工及食品等工業(yè)領(lǐng)域中。隨著(zhù)對渦輪流量計理論研究的不斷深入，渦輪流量計發(fā)展迅速，吸引了眾多流量?jì)x表的研發(fā)人員從傳感器結構優(yōu)化與改進(jìn)、粘性流體測量及數值仿真分析等方面研究渦輪流量計的測量性能，并取得了顯著(zhù)成果。隨著(zhù)渦輪流量計的推廣和使用，其安裝影響越來(lái)越受到人們的重視，安裝環(huán)境和使用條件對其測量精度的影響成為需要關(guān)注的問(wèn)題。

美國**標準和技術(shù)研究所(NIST)對上游安裝90°單彎頭和異面90°雙彎頭分別進(jìn)行了實(shí)驗研究，討論渦輪流量計安裝在下游的測量精度，對于單彎頭，彎頭與儀表為20D時(shí)，誤差近似為0，誤差隨著(zhù)長(cháng)度的縮短而增大，長(cháng)度為3D左右時(shí)誤差*大，可達0.3%；對于異面雙彎頭，彎頭與儀表為90D時(shí)，會(huì )產(chǎn)生0.3%的誤差，隨著(zhù)長(cháng)度縮短，誤差增大，長(cháng)度為3D左右時(shí)誤差*大，可達2%，這個(gè)研究雖然給出了流量計安裝定量的推薦長(cháng)度，但并未對實(shí)驗過(guò)程、實(shí)驗數據進(jìn)行詳細描述，因此實(shí)驗結果是否具有普適性，能否直接拿來(lái)使用值得推敲。此外，文獻指出影響渦輪流量計精度的主要外部因素是流體的流動(dòng)狀態(tài)，對小流量的流量計管道設計中需要加長(cháng)直管段，以減少旋轉流對流量計精度的影響。目前國內針對渦輪流量計安裝使用條件的實(shí)驗研究鮮見(jiàn)報道。筆者針對100mm口徑的渦輪流量計開(kāi)展了基準實(shí)驗、上游單彎頭、雙彎頭和單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭影響的實(shí)驗研究，通過(guò)實(shí)驗數據對平均儀表系數相對誤差、線(xiàn)性度和不確定度進(jìn)行了分析與評價(jià)，*終給出了3種安裝條件下渦輪流量計安裝的前后直管段建議長(cháng)度。

1、實(shí)驗裝置

實(shí)驗是在天津大學(xué)天津市過(guò)程參數檢測與控制重點(diǎn)實(shí)驗室的水流量標準裝置上完成的，實(shí)驗管徑為100mm，圖1為實(shí)驗裝置示意圖。

本實(shí)驗利用標準表法對渦輪流量計進(jìn)行檢定，水泵連續將水池里的水送入高位水塔，水塔通過(guò)溢流來(lái)保持水壓恒定，實(shí)驗時(shí)，水從水塔的下水管依次流過(guò)標準表電磁流量計、被檢表渦輪流量計，*后回到水池。實(shí)驗利用計算機對電磁流量計、渦輪流量計的輸出信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與處理。液體流量標準裝置DN100管線(xiàn)流量測量范圍為20～200m3/h，精度可達0.2%。但由于加上阻流件以及被校表后造成管道壓力損失增大，流量范圍將會(huì )有所減小，本實(shí)驗流量范圍是20～145m3/h。

本實(shí)驗針對所要研究的3種安裝條件，對裝置進(jìn)行了改造，給出了實(shí)驗研究的3種安裝條件的連接方式(圖2)。

2、渦輪流量計實(shí)流實(shí)驗

2.1實(shí)驗結果評價(jià)指標

渦輪流量計的原理：當被測流體流過(guò)傳感器時(shí)，在流體作用下，葉輪受力旋轉，其轉速與管道平均流速成正比，葉輪的轉動(dòng)周期改變磁電轉換器的磁阻值，檢測線(xiàn)圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的感應電勢，即電脈沖信號?；跍u輪流量計的測量原理，根據渦輪流量計檢定規程，確定了實(shí)流實(shí)驗結果的評價(jià)指標，其中包括: 儀表系數、平均儀表系數相對誤差、線(xiàn)性度和不確定度。

流量計儀表系數K為：

2.2數據處理結果及分析

根據實(shí)驗裝置所能達到的*寬流量范圍，進(jìn)行了基準實(shí)驗、單彎頭(后5D和后2D)、雙彎頭(后5D)和單彎頭 +DN150變DN100漸縮管+單彎頭(后5D)的實(shí)流實(shí)驗。其中，基準實(shí)驗是所有阻流件實(shí)驗的參考基準，為保證渦輪流量計入口為充分發(fā)展的湍流流動(dòng)，本實(shí)驗選擇前直管段長(cháng)度為50D(D為管道直徑，D=100mm)，后直管段長(cháng)度為10D進(jìn)行基準實(shí)驗。

2.2.1單彎頭實(shí)驗數據

圖3為單彎頭流量-儀表系數曲線(xiàn)。

從圖3中可以看出，實(shí)驗數據具有以下特征：

a.在相同后直管段條件下，隨著(zhù)流量的增加，儀表系數變化較為平緩。在單彎頭后5D的各工況中，平均儀表系數相對誤差值比較接近，在前2D時(shí)誤差*大，達到－0.47%，但前2D的不確定度達到0.19%，該值是在*小流量時(shí)產(chǎn)生的，因此分析造成這一現象的原因，可能是流場(chǎng)擾動(dòng)造成的粗大誤差，而且該值和要求的不確定度(0.17%)相差不大，故可認為前2D滿(mǎn)足安裝要求；在單彎頭后2D的各工況，隨著(zhù)前直管段長(cháng)度的縮短，平均儀表系數相對誤差值逐漸增大，并且在前 2D時(shí)誤差達到了－0.55%。

b.后直管段長(cháng)度對測量的影響：當前直管段較長(cháng)時(shí)，后直管段對儀表系數的影響不大；隨著(zhù)前直管段逐漸縮短到2D時(shí)，后直管段越短造成平均儀表系數的偏差越大。

c.在后2D的數據中，前2D的結果不滿(mǎn)足評價(jià)準則，所以對單彎頭而言，后直管段長(cháng)度為5D情況下前直管段長(cháng)度至少為2D，后直管段長(cháng)度為2D情況下前直管段長(cháng)度至少為5D。

2.2.2雙彎頭的實(shí)驗數據

圖4為雙彎頭流量-儀表系數曲線(xiàn)。

從圖4中可以看出，實(shí)驗數據具有以下特征：

a.在雙彎頭的各工況中，前20D儀表系數隨流量的增加變化平緩，前10D和前5D有明顯上升趨勢，前2D有明顯下降趨勢，說(shuō)明前10D、5D、2D的線(xiàn)性度較前20D的差。

b.對雙彎頭來(lái)說(shuō)，前10D的平均儀表系數相對誤差已達到－0.7%，前5D和前2D的誤差值均大于－0.7%。與單彎頭(后5D)相比，前10D到前2D的平均儀表系數相對誤差值大于單彎頭(后5D)的平均儀表系數相對誤差值。說(shuō)明雙彎頭的流場(chǎng)對渦輪流量計的測量性能的影響要比單彎頭大，所以雙彎頭時(shí)，前直管段長(cháng)度需滿(mǎn)足至少20D，后直管段長(cháng)度至少5D，此時(shí)阻流件對渦輪流量計的測量影響才能忽略。

2.2.3單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭的實(shí)驗數據

圖5為單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭流量－儀表系數曲線(xiàn)。

從圖5中可以看出，實(shí)驗數據具有以下特征：

a.在單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭的各工況中，前20D和前10D的平均儀表系數相對誤差值均在0.5%之內，但前10D的不確定度達到0.23%，同單彎頭(后5D)前2D的分析，認為前10D滿(mǎn)足安裝要求；前直管段為5D時(shí)，平均儀表系數相對誤差已達到－0.54%。

b.對單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭來(lái)說(shuō)，與單彎頭(后5D)相比，從前10D開(kāi)始，平均儀表系數相對誤差值大于單彎頭(后5D)的值，而且這種阻流件下的線(xiàn)性度都比單彎頭(后5D)時(shí)差。說(shuō)明單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭的流場(chǎng)對渦輪流量計的影響比單彎頭的大，所以單彎頭+DN150變100漸縮管+單彎頭時(shí)，前直管段長(cháng)度需滿(mǎn)足至少10D，后直管段長(cháng)度至少5D。

c.對單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭來(lái)說(shuō)，與雙彎頭相比，在任意前直管段長(cháng)度時(shí)，前者的平均儀表系數相對誤差值都優(yōu)于后者，說(shuō)明在兩個(gè)彎頭之間加入漸縮管能夠改善渦輪流量計的測量性能。

3、安裝使用建議

表1給出了17組實(shí)驗的數據記錄，認為平均儀表系數相對誤差和線(xiàn)性度均小于0.5%，同時(shí)不確定度小于0.17%時(shí)，安裝合適，進(jìn)而給出安裝使用渦輪流量計的建議。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，上游阻流件對渦輪流量計的影響不能忽略。

4、結束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)流實(shí)驗定量研究了渦輪流量計上游安裝單彎頭、雙彎頭以及單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭3種情況時(shí)對其測量性能的影響。共進(jìn)行了包括基準實(shí)驗在內的17組實(shí)流實(shí)驗，流量范圍為20～145m3/h。以?xún)x表系數、平均儀表系數相對誤差、線(xiàn)性度和不確定度作為評價(jià)指標，*終分別給出了渦輪流量計在3種安裝條件下的推薦前后直管段長(cháng)度：?jiǎn)螐濐^時(shí)，后直管段長(cháng)度為5D情況下前直管段長(cháng)度至少為2D，后直管段長(cháng)度為2D情況下前直管段長(cháng)度至少為5D；雙彎頭時(shí)，前直管段長(cháng)度需滿(mǎn)足至少為20D，后直管段長(cháng)度至少為5D；單彎頭+DN150變DN100漸縮管+單彎頭時(shí)，前直管段長(cháng)度需滿(mǎn)足至少為10D，后直管段長(cháng)度至少為5D。滿(mǎn)足以上3種情況時(shí)阻流件對渦輪流量計的測量影響才能忽略。